Laser Blanking erreicht den Automobil-OEM

Jun 16, 2023

Zwei breite Teleskopförderer bewegen sich im Tandem unter den aktiven Laserschneidköpfen und sorgen so für einen gleichmäßigen Spalt darunter, damit Dämpfe und geschmolzenes Material abgeführt werden können.

Eines Tages Anfang 1974 lasen die damaligen Herausgeber von The FABRICATOR ein Manuskript über eine hochmoderne Technologie, die Jahre im Labor verbracht hatte, aber gerade begann, in der Fertigungshalle Einzug zu halten. Neben einem körnigen Foto eines 500-Watt-CO2-Lasers, der an einer Autogen-Schneidemaschine montiert ist, hieß es in dem Artikel: „Jetzt, nach all diesen vielversprechenden Jahren, sind Laser zu einem akzeptablen Metallbearbeitungswerkzeug geworden.“

Das stellte sich als Untertreibung heraus. All diese Jahre später dominiert der Laser die Präzisionsblechfertigung. Es ist zum Teil aufgrund seiner Fähigkeit aufgeblüht, jede Form in jeder Ausrichtung zu schneiden. Nest-Layouts auf einem Flachbettlaser in einem Auftragsfertigungsbetrieb mit hohem Produktmix und geringem Volumen ähneln Kunstwerken.

Natürlich war das Laserschneiden bei steigenden Auftragsvolumina traditionell wirtschaftlich weniger sinnvoll. Dies blieb auch dann der Fall, als der Faserlaser vor mehr als einem Jahrzehnt den Markt im Sturm eroberte. Ein unglaublich schneller Faserlaser sieht unglaublich produktiv aus, aber der Schneidkopf muss immer noch das Profil des Teils nachzeichnen.

Eine Stanzpresse kann das Profil eines Rohlings auf einmal schneiden, daher dominiert die Stanzpresse beim Stanzen großer Stückzahlen, insbesondere in der Automobilindustrie. Es gibt keine Möglichkeit, dass ein Laser eine herkömmliche Stanzlinie mit mechanischen Stanzpressen übertreffen könnte – oder?

Nicht unbedingt. Laser-Blanking-Linien haben ihren Weg zu einigen frühen Anwendern auf der ganzen Welt gefunden, darunter SET Enterprises, ein Metall-Service-Center mit Sitz in Michigan. Im Jahr 2016 installierte Daimler zwei Laserschneidanlagen im Mercedes-Benz Werk Kuppenheim, Deutschland. Eine weitere Laserschneidanlage hat Anfang dieses Jahres in einem anderen Mercedes-Benz-Werk in Deutschland die Produktion aufgenommen, eine vierte Linie befindet sich in der Montagephase.

Die neuesten Laserschneidanlagen weisen die „werkzeuglose“ Flexibilität auf, die die meisten Metallbauer mit Flachbett-Schneidlasern seit Jahren genießen. Einige Laserschneidanlagen erreichen jedoch auch die Geschwindigkeit vieler weltweit installierter, pressenbasierter Stanzanlagen und übertreffen diese teilweise sogar. Es ist eine Leistung, die sich die FABRICATOR-Redakteure 1974 wahrscheinlich nicht hätten vorstellen können.

Der Begriff Laser Blanking ist nicht neu, kann jedoch Verwirrung stiften, insbesondere bei denjenigen außerhalb der Automobilzulieferkette. Es hat nichts mit „maßgeschneiderten Rohlingen“ zu tun, manchmal auch „lasergeschweißte Rohlinge“ genannt, bei denen verschiedene Schnittprofile durch Laserschweißen zu einem einzigen Rohling zusammengefügt werden, der auf die Anwendung zugeschnittene Eigenschaften aufweist.

Das Konzept des Laser Blanking in den USA reicht bis in die 1990er Jahre zurück. Um die Jahrtausendwende stellte ein unternehmensübergreifendes Konsortium namens Laser Blanking Central eine Frage, die im Nachhinein seiner Zeit voraus war: Was wäre, wenn eine Stanzpresse durch eine spulengespeiste Laserschneidanlage ersetzt werden könnte?

Die Gruppe, zu der Unternehmen wie DCT in Sterling Heights, Michigan, und Alabama Laser Systems in Munford, Alabama, sowie Laserexperten wie Charles Caristan (heute technischer Mitarbeiter bei Air Liquide) gehörten, entwickelte einige erste Konzepte. Eine Spule würde einer Präzisionsrichtmaschine und dann einem Laserschneidbett zugeführt, woraufhin Roboter oder andere Geräte die geschnittenen Teile entladen und (bei Bedarf) das Skelett entsorgen würden. Seitdem hat die Weiterentwicklung der Technologie, einschließlich des Hochleistungsfaserlasers, dieses Konzept Wirklichkeit werden lassen.

In der heutigen Automobilindustrie gibt es mehr Modellvielfalt als je zuvor, was natürlich dazu geführt hat, dass Werkzeugänderungen ein Ziel für Verbesserungen sind. Ein einminütiger Matrizenaustausch (SMED) ist eine tolle Idee, aber noch besser ist es, überhaupt keine Matrize wechseln zu müssen.

Jeder der drei Laserköpfe des Systems verfügt über ein eigenes Portal.

Am wirtschaftlichsten ist ein Stanzwerkzeug, wenn es Rohlinge mit geraden Linien und Winkeln produziert. Ein Laser arbeitet bevorzugt mit einem konturierten Rohling, bei dem der Schneidkopf nie vollständig abbremsen, sich drehen und um eine scharfe Ecke beschleunigen muss – und es ist einfach so, dass viele dieser konturierten Formen die Formbarkeit in einer Stanzpresse unterstützen, insbesondere für die Zeichenprozess. Unabhängig von der Form des Rohlings ermöglicht das Laserschneiden den Ingenieuren, diese für eine bessere Formgebung zu optimieren.

Auch Autos und Lastwagen der Zukunft müssen leichter und sicherer sein, weshalb die Nachfrage nach fortschrittlichen hochfesten Stählen und anderen Materialien mit scheinbar ständig wachsenden Festigkeits-Dicken-Verhältnissen besteht. Diese Materialien sind für Stanzformen nicht geeignet. Dem Laser hingegen kommt es nicht auf die Zugfestigkeit eines Materials an, sondern nur auf die Dicke und die Fähigkeit des Materials, die Energie des Lasers zu absorbieren. Das Laserschneiden beseitigt nicht alle Bedenken hinsichtlich hochfester Materialien – das von der Spule zugeführte Material muss noch ausgerichtet werden, bevor es die Laserschneidköpfe erreicht –, aber das Entfernen des Schneidwerkzeugs verringert eine ganze Reihe technischer Hürden.

Andreas Heuer, Leiter der Umformtechnik bei Mercedes-Benz für die Werke Gaggenau und Kuppenheim, begann sich zunächst aus rein pragmatischen Gründen mit dem Verfahren auseinanderzusetzen: Das Unternehmen wollte sein bestehendes Werk nicht umbauen, um Platz für riesige Maschinenfundamente, Loopings, zu schaffen Gruben und ein Hochregal für die Laufkräne, die zum Wechseln der Stanzformen erforderlich sind.

„Wir benötigen keinen zusätzlichen Platz für die Werkzeuglagerung und wir brauchen keine Laufkräne mehr für den Werkzeugwechsel“, sagte er. „Die hohe Flexibilität, die diese Technologie mit sich bringt, kommt uns auch sehr zugute, da wir immer mehr Fahrzeugtypen haben.“

„[Laserschneiden] hat auch geometrische Änderungen während der Einführung neuer Matrizensätze [zum Umformen] vereinfacht“, fuhr Heuer fort und fügte hinzu, dass einige Änderungen der Rohlingsgeometrie nachgelagerte Ziehprozesse unterstützt haben. „Für einige Sets haben wir sechs bis acht verschiedene [Rohling-]Geometrien erstellt. Dadurch konnten wir Änderungen schnell umsetzen, ohne die laufende Produktion zu unterbrechen.“

Mittlerweile setzt Daimler das Laserschneiden zur Herstellung mehrerer kosmetisch kritischer Karosserieaußenteile ein. „Die Anlage erreicht in einigen Anwendungen eine Liniengeschwindigkeit von bis zu 60 Metern pro Minute“, sagte der in Deutschland ansässige Manuel Hunger, Vertriebsleiter bei Schuler, dem Unternehmen, das die Laserschneidlinien von Daimler entworfen und gebaut hat. „Die Linie hat beispielsweise mehr als 40 Hauben pro Minute produziert.“

„Wir schneiden Rohlinge für alle äußeren Karosserieteile und größere Strukturteile für die Hauptkarosserie für Mercedes-Benz Pkw und Lkw“, fuhr Heuer fort. „Wir verwenden die typischen Güten anderer Automobilhersteller wie verzinkten Stahl und Aluminium mit einer Dicke von 0,65 bis 1,5 mm.“

Wenn man die Laserschneidanlage des Werks in Aktion betrachtet, gleicht man einem hochgradig choreografierten Tanz, bei dem jede elektronische und mechanische Komponente eine entscheidende Rolle spielt. Eine Spule wird auf ein Doppelspulen-Abwickelsystem geladen, während die vorherige Spule verarbeitet wird. Wenn das neue Material es erfordert, tauschen die Präzisions-Rollenrichtkassetten innerhalb weniger Minuten automatisch aus. Wenn ein Coilwechsel erforderlich ist, nimmt der Abwickler das neue Coil auf und stellt es bereit, das mit Durchhang (keine Schleifengrube) durch die Richtmaschine und in das Laserschneidsystem geführt wird.

Der Arbeitsbereich des Laserschneidens verfügt über drei Laserschneidköpfe, jeder mit einer separaten 4-kW-IPG-Faserlaser-Stromquelle. Die Köpfe bewegen sich sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung (über den Streifen).

Hunger sagte, dass drei Laserschneidköpfe eine gute Balance seien. Weniger Köpfe verlangsamen die Ausschneidegeschwindigkeit, während mehr Köpfe zu einer übermäßigen Anzahl von Einstichen, Beschleunigungen und Verzögerungen führen, einfach weil jeder Laserkopf nur einen kleinen Teil des darunter verlaufenden Nests schneidet. Und als Teil eines kontinuierlich zugeführten Bogens „durchläuft“ das Nest tatsächlich den Laser.

Zugeschnittene Teile werden gestapelt, aus dem System transportiert und bereit für den Weitertransport bereitgestellt.

Die Kerntechnologie des Laserschneidens liegt nicht im Laserschneiden selbst, sondern darin, was unterhalb der Schnittfuge passiert. Das Band muss in Bewegung bleiben, an der Unterseite Platz zum Abführen des geschmolzenen Materials haben und gleichzeitig vollständig abgestützt bleiben.

Um dies zu erreichen, nutzen Laser-Blanking-Systeme intelligent Teleskopförderer. In den Laser-Blanking-Systemen von Daimler bewegen sich zwei breite Förderbänder – eines vor dem/den aktiven Laserkopf(en) und eines dahinter, positioniert mit einem gleichmäßigen Abstand zwischen ihnen – synchronisiert in X-Richtung (mit und gegen den Materialfluss) vorwärts und rückwärts mit der Schneidwirkung. Dadurch wird sichergestellt, dass das System immer einen konstanten Spalt unter dem Schneidvorgang aufrechterhält, wo die Schwerkraft und ein Vakuum geschmolzenes Material, Partikel und Rauch vom Schnitt selbst wegziehen. Schuler nennt dieses synchronisierte Förder- und Rauchabsaugsystem „DynamicFlow Technology“.

Nach dem Schneiden folgt das Entstapeln und Stapeln, zwei kritische Elemente, ohne die das Laserschneiden keinen großen Sinn ergeben würde. Ja, einige Laser-Blanking-Systeme sind in bestimmten Anwendungen so schnell geworden, dass sie einige herkömmliche Blanking-Systeme überholen, aber diese Tatsache würde nicht viel bedeuten, wenn die Rohlinge manuell sortiert werden müssten.

Wie Hunger erklärte, gibt es beim Laser Blanking mehrere Denesting-Szenarien, bei denen Gutteile vom Ausschuss getrennt werden. Bei der ersten handelt es sich um Arbeiten, bei denen Nester geschnitten werden, die keinerlei Reste hinterlassen. Ein Paradebeispiel sind die lasergeschnittenen Motorhauben von Daimler, die nacheinander mit einer gemeinsamen Linie geschnitten werden. Die Haubenzuschnitte erstrecken sich über die gesamte Breite des Bandes, verlassen die Laserzelle, durchlaufen einen Reinigungsprozess und werden dann über separate Förderbänder zu Hochleistungsstaplern geschickt, die denen ähneln, die in herkömmlichen Zuschnittlinien verwendet werden.

„Wir machen das [bei Daimler], weil das Stapeln von Robotern für die Anwendung nicht schnell genug ist“, sagte Hunger.

Bei einem weiteren Entstapelungsszenario handelt es sich um ein Nest mit Schrott, der in einem sogenannten „Schwerkraftabwurf“-Vorgang abfällt, der außerhalb des Laserarbeitsbereichs stattfindet. Diese Methode funktioniert nur, wenn der Abfall so ausgerichtet und geformt ist, dass er leicht vom Band fällt.

Von hier aus kann das Stapeln auf zwei Arten erfolgen. Wenn die Teileausrichtung dies zulässt und sich die Schwerkraftablösung als zuverlässig erweist, können geschnittene Teile wie in einer Situation ohne Abfall direkt zu den Staplern fließen, während der Abfall in eine Abfallrutsche und in eine Abfallrutsche fällt Behälter. Alternativ kann eine Reihe von Robotern die Teile aus dem Gitter greifen und sie über die Schrottrutsche auf ein Förderband transportieren, das in den Stapler führt.

Da Daimler kosmetisch kritische Karosserieaußenteile roht, ist nach dem Laserschneiden ein bürstenbasierter Rohlingsreinigungsprozess erforderlich. „Die Verschmutzung durch Schmutz und Staub war für uns ein großes Problem“, sagte Heuer und fügte hinzu, dass der Prozess auch ohne den zusätzlichen Reinigungsschritt „nur geringfügigen Staub zurückließ, der für unsere folgenden Prozessschritte irrelevant wäre.“

„Heute können wir sagen, dass die Ausrüstung, wie auch herkömmliche Zuschnittlinien, häufig gereinigt werden muss, um die Sauberkeit der Zuschnitte zu gewährleisten. Derzeit führen wir eine zweiwöchentliche Standardreinigung und eine halbjährliche Intensivreinigung aller Förderer durch.“

„Um die manuelle Reinigung der Linie zu reduzieren, kann jedes Förderband mit einer Bürstenreinigungseinheit ausgestattet werden“, fügte Hunger hinzu.

Andreas Heuer, Leiter Umformtechnik bei Mercedes-Benz für die Werke Gaggenau und Kuppenheim, hat die 2017 begonnene Umstellung des Werks Kuppenheim auf Laserschneiden geleitet. Foto mit freundlicher Genehmigung der Daimler AG.

Laut Hunger erreichen Daimlers Linien eine Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE) von über 75 Prozent. „In einer konventionellen Stanzlinie konnten wir noch nie ein solches Niveau erreichen“, sagte er.

Als einer der ersten Anwender geht Heuer davon aus, dass das Laserschneiden irgendwann zum dominierenden Schneidverfahren in der Automobilindustrie werden wird. „Meiner Meinung nach wird das Laserschneiden das herkömmliche Schneiden ersetzen. Die Technologie ist eine moderne und innovative Möglichkeit, den Schneidprozess zu optimieren und die Effizienz zu steigern. Und Matrizen, die für die Geometrie des Laserschneidens optimiert sind, werden dazu beitragen, das Laserschneiden vorteilhafter zu machen.“

Wie sieht es mit anderen Bereichen der Metallverarbeitung aus? Laut Hunger könnte die Technologie irgendwann in mehr Servicezentren außerhalb der Automobilzulieferkette und sogar bei großen Blechverarbeitern Einzug halten, insbesondere bei solchen, die große Mengen bestimmter Materialqualitäten und -stärken verbrauchen – genug, um ein Coil zu kaufen Zeit.

Der Spulen- und Richtkassettenwechsel ermöglicht einen schnellen Wechsel von einem Material zum anderen. Daimler beispielsweise nutzt einen automatisierten Prozess, bei dem ein Bediener das Material prüft und den Wechsel einleitet.

Die entscheidenden Elemente sind das Entstapeln und Stapeln. Wie Hunger erläuterte, können bestimmte automatisierte Entstapelungsansätze auf einem Laserblanker einigen der gleichen Strategien folgen wie die automatisierte Entstapelung mit einem Flachbettlaser. Beispielsweise können kleinere Teile zusammengefügt und vom Roboter als Einheit herausgehoben werden.

Natürlich müssen die Teilmengen ausreichend sein. „Das Laser-Blanking-System ist nicht ideal, um [viele] verschiedene Formen gleichzeitig zu bearbeiten“, sagte Hunger und fügte hinzu, dass es außerdem erfordert, dass Teile ohne Laschen mindestens 250 mm lang oder breit sein müssen.

Sicherlich wird es in absehbarer Zukunft wahrscheinlich keinen Einsatz für solche Laser-Blanking-Geräte in Prototypen- und High-Mix-Low-Volume-Fertigungsbetrieben geben. Aber wenn das Teilvolumen wächst, könnte sich die Geschichte ändern. Wenn der Mix aus geschnittenen Profilen eines Herstellers oder Servicecenters zuverlässig entstapelt, gestapelt und schnell weitergegeben werden kann, ist das Laserschneiden eine eindeutige Möglichkeit.

Roboter greifen und stapeln geschnittene Teile. Teile, die nicht von einem Roboter entnommen werden müssen, fließen direkt zu einem Stapler.