Der digitale Zwilling harmoniert ideal mit dem Schweißroboter bei HASE.

Automation in der Kaminofenproduktion 4.0: Digitaler Zwilling für den Schweißroboter

Automatisiert Rohöfen verschweißen und gleichzeitig ein breites Produktportfolio abdecken – dieses Ziel hat die Firma HASE Kaminofenbau GmbH aus Trier. Der innovative Kaminofenhersteller aus dem Südwesten Deutschlands bringt jährlich ein bis zwei neue Modelle auf den Markt. Durch das optimale Zusammenspiel von digitalem Zwilling und Schweißrobotern von KUKA kann HASE nun mühelos die steigende Nachfrage bedienen.

Automation sorgt für Gemütlichkeit: Moderne Kaminöfen sind Trend

Kuschelige Wärme, knisterndes Holz, leuchtendes Feuer: Ein Kaminofen verkörpert für immer mehr Menschen Gemütlichkeit pur und darf im Wohnzimmer nicht fehlen. Darum steigt auch die Nachfrage beim Kaminofenhersteller HASE aus Trier stetig. Inzwischen produziert das 1979 gegründete Familienunternehmen bis zu 15.000 Öfen jährlich – und das dank Automatisierung rascher und effizienter als zuvor. Das Besondere dabei: Alle Kaminöfen fertigt HASE zu 100 Prozent am rheinland-pfälzischen Firmenstandort, wo rund 200 Angestellte arbeiten. Neben „Made in Germany“ setzt der Kaminofen-Spezialist auf innovative technische Lösungen – sei es durch jährlich neue Ofenmodelle, die intelligente Software iQ für sauberes Feuer oder die Automation der Produktion durch Roboter und damit effizientere Prozesse. Dabei spielt die Schnittstelle zwischen physischen Maschinen und digitalen Anwendungen eine entscheidende Rolle.

Weil uns zunehmend Schweißfachleute fehlen, konnten wir vom boomenden Markt nur durch die Automatisierung unserer Produktion profitieren.

Florian Fischer, Leiter Produktionsentwicklung bei HASE

Durch automatisierte Produktion hohe Nachfrage bedienen

Denn die steigende Nachfrage nach modernen und sauberen Öfen stellte das regional produzierende Unternehmen vor einige Herausforderungen. „Ein Kaminofen hat zig Schweißnähte – sie alle von Hand zu schweißen, dauert sehr lange“, weiß Florian Fischer, Leiter der Produktionsentwicklung bei HASE. „Weil uns auch zunehmend Schweißfachleute fehlen und unsere Betriebsanlagen in die Jahre gekommen waren, konnten wir vom boomenden Markt nur durch die Automatisierung unserer Produktion profitieren.“ Indem die fordernde Schweißarbeit am Rohofen auch aufgrund der Temperaturentwicklung Roboter übernehmen, können sich die Kollegen auf ihr Handwerk konzentrieren. Dazu zählt beispielsweise das Schweißen von Feuerraumtüren, wo der Arbeitsbereich für einen Schweißroboter ohnehin zu eng ist.

Digitaler Zwilling als Herzstück der Schweißanlage

Das Ziel der Manufaktur stand somit fest: Mithilfe von Schweißrobotern die Produktivität erhöhen, die Qualität sicherstellen und gleichzeitig die Mitarbeitenden entlasten. Doch HASE wäre nicht HASE, wenn der innovative Kaminhersteller dabei nicht zukunftsorientiert denken würde. „Wir wollten eine hochmoderne flexible Roboteranlage bauen, die auch künftige, noch gar nicht existente Modelle abarbeiten kann, ohne dass sich unsere Konstrukteure einschränken müssen oder die Produktion deshalb stillsteht“, erzählt Fischer. „Deshalb spielt auch der digitale Zwilling eine entscheidende Rolle.“

Außenansicht des Firmensitzes von HASE Kaminofenbau GmbH in Trier. — Bei der Firma HASE Kaminofenbau in Trier trifft traditionelles Handwerk auf innovative Automatisierung.

Da HASE bereits seit 20 Jahren auf die Leistung der Roboter von KUKA vertraut, fiel auch bei dem neuesten Projekt die Wahl auf den führenden Anbieter intelligenter Robotertechnik. Besonders attraktiv an der Zusammenarbeit war dabei nicht nur die Möglichkeit, KUKA Hardware in Form von zwei KR CYBERTECH nano ARC HW, der Lineareinheit KUKA KL 250 sowie dem Positionierer einzusetzen. Denn erst das Zusammenspiel mit der Software KUKA.Sim und dem Digital Twin waren für HASE der Game Changer. Die Simulationssoftware erweckt Roboterapplikationen virtuell zum Leben – noch bevor die Anlage in Betrieb genommen wird. Die offline-programmierten Roboter-Bewegungsabläufe werden in Echtzeit abgebildet und hinsichtlich ihrer Taktzeiten analysiert und optimiert. Zudem simuliert das AddOn KUKA.Sim ArcWelding die automatischen Schweißapplikationen. So lassen sich beispielsweise Anfahrtspositionen oder die optimale Ausrichtung der Roboter für den Schweißprozess definieren.

Ofenmodelle offline schneller programmieren

„Sämtliche Schweißabfolgen und Bewegungsabläufe unserer beiden Roboter auf der Lineareinheit simulieren wir im Vorfeld mithilfe von KUKA.Sim komplett abgekapselt von der eigentlichen Anlage“, sagt HASE-Programmierer Martin Altmeier. „Offline können wir mithilfe des digitalen Zwillings so ein Ofen-Programm in zwei Stunden programmieren. Online müssten wir dafür eine Anlage zwei Wochen außer Betrieb nehmen. Das zeigt: Ohne die Offline-Programmierung über die Simulationssoftware wäre unsere Produktion und die Entwicklung von neuen Modellen nicht so schnell und einfach möglich.“

Martin Altmeier, HASE Kaminofenbau GmbH, Bernd von der Bank, Paul von der Bank GmbH, und ein weiterer HASE-Mitarbeiter im Gespräch. — Auf der Linearschiene schweißen die zwei Schweißroboter KR CYBERTECH nano ARC die Nähte der Komponenten ab.

Auch die Vorstellung der Konstrukteure von neuen Ofenmodellen lassen sich via KUKA.Sim sehr früh in der Prototypen-Phase mit der Realität abgleichen. Denn mithilfe des digitalen Zwillings kann Hase die Schweißabläufe eins zu eins simulieren und die Konstrukteure erhalten ein identisches Abbild des späteren Produktionsprozesses. So kann HASE mit dem digitalen Zwilling Schweißabläufe für neue Öfen erproben und am Ende auf dieser Grundlage das entsprechende Schweißprogramm für die Roboterzelle erstellen.

Automatisierung trifft Flexibilität

Ist das Programm für ein Ofenmodell fertig, können die Roboter direkt loslegen. Der Maschinenbediener legt den Ofen mithilfe einer Hebevorrichtung in die Anlage, startet das Programm und der Positionierer hebt den vorgehefteten Rohofen, je nach Modell zwischen 20 und 100 Kilogramm schwer, in die gewünschte Position. Auf der Linearschiene schweißen die zwei Schweißroboter KR CYBERTECH nano ARC – verbunden mit zwei TPS 500i Fronius Stromquellen – dann automatisch die Nähte der Komponenten in der festgelegten Reihenfolge ab. „Zuvor haben wir in der Simulation exakt herausgefunden, wann welcher Roboter am besten welche Schweißnaht übernimmt“, erklärt Programmierer Altmeier, „damit wir keinen Verzug haben, die Nähte dicht sind und wir die optimale Taktzeit erreichen.“

Martin Altmeier, HASE Kaminofenbau GmbH, und ein weiterer HASE-Mitarbeiter an einem Roboter von KUKA im Gespräch. — Dank des digitalen Zwillings erhalten die Konstrukteure schon in der Prototypen-Phase ein identisches Abbild des Produktionsprozesses.

Ausfallrisiko wird auf ein Minimum reduziert

Ein weiterer Vorteil: Durch verschiedene Benutzerebenen mit klaren Rollenprofilen wie die des Bedieners hat HASE das Ausfallrisiko durch Bedienungsfehler nahezu auf null reduziert. Zudem sind alle aktuellen Programme in der KUKA Software gesichert – selbst wenn ein Fehler passiert, können also alle Daten sofort wiederhergestellt werden. „Wir wollten die virtuelle Welt optimal mit der realen verbinden“, beschreibt Bernd von der Bank vom langjährigen KUKA Systempartner Paul von der Bank GmbH seine Intention bei dem Projekt. „Ob ich an der Anlage etwas verändere oder in der Simulation, ist egal, da in beiden Systemen das gleiche passiert. Dass Online- und reale Welt so gut miteinander harmonieren, ist am Markt einmalig.“

Zwei Mitarbeiter von HASE Kaminofenbau GmbH programmieren Offline-Simulation am Computer. — Die Kaminofen-Profis von HASE, KUKAs Automatisierungs-Experten und die Paul von der Bank GmbH als Systempartner arbeiteten Hand in Hand.

Anwendungen von KUKA bieten konsistente virtuelle und reale Steuerung

Bis es so weit war, dass KUKA.Sim und Schweißroboter optimal zusammenarbeiten, haben HASE, Integrator Paul von der Bank GmbH und der KUKA Customer Service gemeinsam die Software weiterentwickelt und eine maßgeschneiderte Lösung programmiert. Besonders die Expertise von HASE war für das erfolgreiche Endergebnis maßgeblich. „Die Herausforderung beim Stromschweißen ist, dass die virtuelle Welt keine Toleranzen hat“, so von der Bank. „Die reale Fügetechnik hingegen schon – und das nicht zu knapp.“

Verschiedene Modelle von HASE-Kaminöfen im Showroom. — Die maßgeschneiderte Automatisierungs-Lösung für HASE macht die Fertigung verschiedenster Ofen-Modelle möglich.

Modulare Produktarchitektur der Software macht Kundenwünsche möglich

Damit die Simulation von Schweißnähten und die Schweißparameter optimal zur Arbeit der Robotersteuerung passten und der „Nach-Teach-Aufwand“ möglichst gering war, haben alle Beteiligten gemeinsam KUKA.Sim entsprechend den Bedürfnissen von HASE modifiziert – die modulare Produktarchitektur der Software macht es möglich! Ein wichtiger Vorteil dabei: Die Daten sind zu 100 Prozent konsistent, sodass die virtuelle und die reale Steuerung mit exakt denselben arbeiten. Auf diese Weise schafft KUKA.Sim die Basis für eine virtuelle Inbetriebnahme.

Zwei KUKA KR CYBERTECH nano ARC HW schweißen auf einer KUKA Lineareinheit KL 250-3 Kaminöfen. — Dank modularer Produktarchitektur ist die Software genau auf die Anforderungen von HASE abgestimmt.

Erhöhte Produktivität dank High-End-Roboteranlage

Durch das exzellente Zusammenspiel von digitalem Zwilling und Robotern konnte HASE die Schweißzeit pro Ofen von 45 Minuten auf 15 Minuten reduzieren. Aufgrund der guten Erfahrungen mit der Anlage hat HASE inzwischen eine zweite gebaut, die komplett identisch zur ersten ist. Dadurch ist der Arbeitsaufwand für die Programmierung und Steuerung gering. Die beiden neuen Anlagen ersetzen die älteren fünf – ein immenser Platzgewinn für die Produktion!

Offline können wir mithilfe des digitalen Zwillings ein Ofen-Programm in zwei Stunden programmieren – online müssten wir dafür eine Anlage zwei Wochen außer Betrieb nehmen.

Martin Altmeier, Programmierer bei HASE Kaminofenbau GmbH

Der Kaminofenhersteller könnte nun bis zu 25.000 Öfen pro Jahr produzieren, während es zuvor maximal 15.000 waren. „Die zwei High-End-Roboteranlagen sind für uns die größte schweißtechnische Innovation, die wir je hatten“, resümiert Fischer. „Das Schwierigste bei der Automatisierung ist es, einen Weg zu finden, gleichzeitig ein breites Produktportfolio abzudecken. Diese Herausforderung haben wir gemeinsam mit KUKA und der Paul von der Bank GmbH erfolgreich gelöst.“ In der gemeinsamen Arbeit liegt auch das Erfolgsgeheimnis des Projekts: KUKA bot HASE ein Rundum-Paket und entwickelte zusammen mit dem Kunden sowie dem Systempartner vor Ort eine maßgeschneiderte Lösung.

Automatisierung als Chance

Auch die Mitarbeitenden bei HASE begreifen die Automatisierungslösung angesichts des zunehmenden Fachkräftemangels nicht als Bedrohung ihrer Arbeitsplätze, sondern als Existenzsicherung ihres Arbeitgebers. HASE möchte seinen Mittelweg aus bodenständigem Handwerk und innovativer Automatisierung konsequent weitergehen und arbeitet bereits gemeinsam mit KUKA an Konzepten zum automatisierten Kanten und Lackieren sowie dem Schweißen von Baugruppen. Für viele weitere moderne, saubere Kaminöfen – und noch mehr knisternde Gemütlichkeit in den Wohnzimmern.