Das Bauen mit industriell vorgefertigten Systemelementen aus Stahl und Beton ist ein Geschäftsfeld von Goldbeck, einem Unternehmen mit über 7500 Mitarbeitern und 70 internationalen Standorten, das vor allem im Hallen- und Parkhausbau aktiv ist. Das tragende Gerüst bilden unterschiedlich ausgeprägte und dimensionierte Stahlträger mit all ihren Anschlüssen von der Kopfplatte bis zu Steglaschen. Jedes dieser Bauteile kann beliebig viele Besonderheiten aufweisen – eine herkömmlich automatisierte Schweißstraße war daher für Goldbeck nicht sinnvoll. Denn jedes Bauteil-Unikat benötigt eine individuelle Programmierung: Parameter wie Material, exakte Abmessungen, zu schweißende Elemente und Schweißnahtlage sowie Ausführung müssen offline (mittels CAD-Datensätzen) programmiert werden. Ergo könnte ein Schweißroboter erst ab einer gewissen Mindest-Losgröße auf Dauer seine wirtschaftlichen Vorteile ausspielen.

Losgröße 1 rentabel automatisch ­schweißen

Der IRPS-Laser (sichtbar am roten Strich) scannt das reale Bauteil mit seiner Lage und erzeugt daraus eine Punktewolke, die in ein 3D-Modell umgerechnet wird.

© Exner

Um eine Lösung für das Schweißen bei Losgröße 1 zu finden, hatte Goldbeck verschiedene Forschungsprojekte gestartet. Doch die Ergebnisse waren durchweg eher ernüchternd. Im Jahr 2018 hörte das Unternehmen dann erstmals vom ‚Instant Robot Programming System‘ (IRPS) von Instantpro aus den Niederlanden. Diese Firma stellte die – aus damaliger Sicht gewagte – Behauptung auf, IRPS könne sogar Einzelstücke rentabel vollautomatisch schweißen.

»Der Kontakt zu Exner Ingenieurstechnik als Projektpartner und Instantpro als Hersteller von IRPS kam über Kuka Industries zustande, von denen wir bereits Anlagen in anderen Bereichen einsetzen«, erklärt Christian Schneider, Projektleiter Fertigung Stahlbau bei Goldbeck. »Als wir darüber informiert wurden, dass IRPS in der Lage sein solle, Werkstücke selbst zu erkennen und daraus Schweißprogramme zu erzeugen, klang das sehr futuristisch, allein wegen der vielfältigen Varianten, die das System berücksichtigen sollte. Also nahmen wir Kontakt auf und sahen uns eine Testanlage bei Exner in Holland an.«
Das patentierte System kann verschiedene Produktfamilien im Stahlbau mit beliebigen Maßen und in beliebiger Zusammenstellung automatisch schweißen. Systembekannte Bauteile müssen nicht mehr kontrolliert werden, und jedes neue Material oder Profil wird nur ein einziges Mal im System abgelegt, zusammen mit den optimalen Schweißparametern. Danach geht alles automatisch. 

Wie funktioniert das im Detail?

Vereinfacht gesagt wird das Werkstück auf einer Vorrichtung lose platziert oder – sofern nötig – fixiert, je nach Bauteil und Größe. Die Positionierung spielt keine Rolle, da der Roboter die Echtmaße erkennt. Zum Maßnehmen erhält er den Auftrag per Klick auf einem Touchscreen. Anschließend bewegt er sich über das Bauteil und liest dessen Maße und Lage mittels Laserscanner ein. Dieser Laserscanner wird fest an einer linearen Achse oder direkt am Roboter montiert. Während der Bewegung über das Bauteil wird ein präzises 3D-Model des Bauteils selbst erstellt, weshalb eine exakte Nullpunkt-Fixierung und ein Suchen der Nähte nicht erforderlich sind.
Das Ergebnis ist eine Punktwolke. Die IRPS-Basissoftware erkennt daraus eine in der Datenbank hinterlegte Bauteilform – zum Beispiel einen Doppel-T-Träger – und erstellt mittels algorithmischer Programme ein fertiges Roboterschweiß- und Bewegungsprogramm. Parallel wird das optometrische 3D-Scannerbild erzeugt und auf dem Touchscreen dargestellt. 
Dieses 3D-Modell des Bauteils lässt sich am Monitor im Raum drehen, ähnlich wie bei CAD-Modellen. Die Darstellung dient zur Prüfung und eventuellen Änderung zum Beispiel von Schweißnähten, Schweißparametern oder Brennerstellung.

Die IRPS-Software erkennt den Doppel- T-Träger (grau) und die nun mit ihm zu verschweißenden Bauteile (orange).

© Exner

Die IRPS-Software funktioniert auch als übergeordnete Steuerung des Schweiß-roboters. Sie steuert den Prozessablauf, erstellt das Bewegungsprogramm für den Scan-Vorgang, erzeugt aus der erhaltenen 3D-Punktwolke nach dem Scan ein Modell des Bauteils und schreibt fertige Roboter-Schweiß- und -Bewegungsprogramme. Die Software ist per Lizenz an die IRPS-Hardware gekoppelt. Sie steuert einen 6-achsigen Roboter, eine lineare Zusatzachse und einen Scanner. Weitere Zusatzachsen, Roboter oder Scanner sind optional möglich.
Hat der Scan das Bauteil erkannt und die Schweißnähte grafisch platziert, gibt der Werker mit einem einzigen Klick auf den Touchscreen den kompletten Schweißvorgang frei. Detaillierte Roboter- und Schweißkenntnisse sind nicht erforderlich.