Automatisering bij de productie van kachels 4.0: Digitale tweeling voor de lasrobot

Kachels geautomatiseerd lassen en tegelijkertijd voorzien in een breed productportfolio – dat is het doel van HASE Kaminofenbau GmbH uit Trier. De innovatieve kachelfabrikant uit het zuidwesten van Duitsland brengt elk jaar één tot twee nieuwe modellen op de markt. Dankzij de optimale samenwerking tussen de digitale tweeling en de lasrobots van KUKA kan HASE nu probleemloos voldoen aan de toenemende vraag.

Automatisering voor behaaglijkheid: moderne kachels zijn in trek

Behaaglijke warmte, knapperend hout, brandend vuur: voor steeds meer mensen staat een kachel synoniem voor behaaglijkheid die niet mag ontbreken in de woonkamer. De vraag bij kachelspecialist HASE uit het Duitse Trier neemt dan ook gestaag toe. Het familiebedrijf werd opgericht in 1979 en produceert tot wel 15.000 kachels per jaar – en dankzij de automatisering gaat dat een stuk sneller en efficiënter dan voorheen. Het bijzondere: HASE fabriceert 100 procent van alle kachels in de vestiging in Trier, waar ongeveer 200 werknemers werken. Naast "Made in Germany" richt de kachelspecialist zich op innovatieve technische oplossingen – of het nu gaat om nieuwe kachelmodellen, de intelligente iQ-software voor een schone verbranding of de automatisering van de productie met robots en zodoende om efficiëntere processen. De interface tussen fysieke machines en digitale toepassingen speelt hierbij een cruciale rol.

Aangezien het tekort aan lasspecialisten steeds groter werd, konden we alleen van de toenemende vraag profiteren door onze productie te automatiseren.

Florian Fischer, hoofd productieontwikkeling bij HASE

Door geautomatiseerde productie voldoen aan toenemende vraag

De toenemende vraag naar moderne en schone kachels stelde het bedrijf voor een aantal uitdagingen. "Een kachel heeft tientallen lasnaden – het met de hand lassen van al deze naden duurt gewoon enorm lang", aldus Florian Fischer, hoofd productieontwikkeling bij HASE. "Aangezien het tekort aan lasspecialisten steeds groter werd en onze systemen verouderd waren, konden we alleen van de toenemende vraag profiteren door onze productie te automatiseren." Door robots het veeleisende laswerk aan de kachels uit te laten voeren, kunnen de collega's zich weer op het echte handwerk concentreren. Hierbij kan worden gedacht aan het lassen van de kacheldeuren, waar het werkbereik te smal is voor een lasrobot.

Digitale tweeling als kloppend hart van het lassysteem

Het doel van het bedrijf was duidelijk: met behulp van lasrobots de productiviteit verhogen, de kwaliteit waarborgen en de werkdruk van de werknemers verlagen. Maar HASE zou HASE niet zijn als de innovatieve kachelfabrikant niet toekomstgericht zou denken. "Ons doel was een ultramodern, flexibel robotsysteem, dat ook toekomstige modellen kan bewerken die nog niet bestaan, en dat zonder dat onze ontwerpers zichzelf moeten beperken of de productie moeten stilleggen," legt Fischer uit. "Daarom speelt de digitale tweeling ook zo'n belangrijke rol."

Bij HASE Kaminofenbau in Trier komen traditioneel vakmanschap en innovatieve automatisering samen.

Aangezien HASE al 20 jaar vertrouwt op de robots van KUKA, werd de toonaangevende aanbieder van intelligente robottechnologie ook gekozen voor het nieuwste project. Bijzonder aantrekkelijk aan de samenwerking was niet alleen de mogelijkheid om hardware van KUKA te gebruiken in de vorm van twee KUKA KR CYBERTECH nano ARC HW, de lineaire eenheid KUKA KL250-3 en de positioneerder. Het waren de interactie met de software KUKA.Sim en de digitale tweeling die de doorslag gaven voor HASE. De simulatiesoftware KUKA.Sim wekt robotapplicaties virtueel tot leven – nog voordat het echte systeem in bedrijf wordt gesteld. De offline geprogrammeerde robotbewegingen worden in realtime weergegeven en met betrekking tot de cyclustijden geanalyseerd en geoptimaliseerd. De KUKA.Sim ArcWelding AddOn simuleert ook de automatische lastoepassingen. Zo kunnen bijvoorbeeld naderingsposities of de optimale oriëntatie van de robot voor het lasproces worden gedefinieerd.

Kachelmodellen offline sneller programmeren

"Met behulp van KUKA.Sim simuleren we van tevoren alle las- en bewegingsprocessen van onze twee robots op de lineaire eenheid, volledig los van het eigenlijke systeem", aldus HASE-programmeur Martin Altmeier. "Offline kunnen we een kachelprogramma binnen twee uur programmeren met behulp van de digitale tweeling. Online zouden we een installatie twee weken buiten bedrijf moeten stellen. Het moge duidelijk zijn: zonder offline programmering met de simulatiesoftware zouden de productie en de ontwikkeling van nieuwe modellen niet zo snel en eenvoudig mogelijk zijn."

Op de lineaire rail lassen twee KR CYBERTECH nano ARC-lasrobots de naden van de onderdelen.

KUKA.Sim kan ook worden gebruikt om ideeën van de ontwerpers voor nieuwe kachelmodellen in een zeer vroeg stadium, tijdens de prototypefase, te toetsen aan de realiteit. Met behulp van de digitale tweeling kan HASE de lasprocessen één op één simuleren en krijgen de ontwerpers een goed beeld van het mogelijke productieproces. Zo kan HASE de digitale tweeling gebruiken om lasprocedures voor nieuwe kachels te testen en uiteindelijk op basis hiervan het bijbehorende lasprogramma voor de robotcel te ontwikkelen.

Automatisering vs. flexibiliteit

Zodra het programma voor een kachelmodel klaar is, kunnen de robots aan de slag. De operator van de machine plaatst de kachel met behulp van een hefinrichting in de installatie en start het programma. De positioneerder tilt de ruwe kachel, die afhankelijk van het model 20 tot 100 kilo weegt, naar de gewenste positie. Op de lineaire rail lassen de twee lasrobots KR CYBERTECH nano ARC– aangesloten op twee TPS 500i Fronius stroombronnen – vervolgens de naden van de onderdelen automatisch en in de aangegeven volgorde. "Van tevoren hebben we met behulp van de simulatie exact vastgesteld welke robot welke lasnaad het beste kan bewerken," legt programmeur Altmeier uit, "zodat we geen vervorming hebben, de naden strak zijn en we een optimale cyclustijd bereiken."

Dankzij de digitale tweeling krijgen de ontwerpers al tijdens de prototypefase een goed beeld van het productieproces.

Uitvalrisico wordt tot minimum beperkt

Ander bijkomend voordeel: dankzij verschillende gebruikersniveaus met duidelijke rollen, zoals die van de operator, heeft HASE het uitvalrisico door bedieningsfouten tot vrijwel nul gereduceerd. Bovendien wordt van alle actuele programma's een back-up in de KUKA software aangemaakt – zelfs in het geval van een fout kunnen alle gegevens onmiddellijk hersteld worden. "We wilden de virtuele wereld optimaal verbinden met de echte wereld", vertelt Bernd von der Bank van de KUKA-systeempartner Paul von der Bank GmbH, die zijn doelstelling voor het project beschrijft. "Het maakt niet uit of ik iets verander aan het systeem of aan de simulatie, want in beide systemen gebeurt hetzelfde. Het feit dat de online wereld en de echte wereld zo goed op elkaar aansluiten, is uniek op de markt."

De kachelprofessionals van HASE, de automatiseringsexperts van KUKA en Paul von der Bank GmbH als systeempartner werkten hand in hand.

Toepassingen van KUKA voorzien in consistente virtuele en werkelijke besturing

Tot KUKA.Sim en de lasrobots optimaal konden samenwerken, hebben HASE, integrator Paul van Bank GmbH en de Customer Service van KUKA samen de software verder ontwikkeld en een oplossing op maat geprogrammeerd. Met name de expertise van HASE was van doorslaggevend belang voor het succesvolle eindresultaat. "De uitdaging bij het elektrolassen is dat de virtuele wereld geen toleranties kent," aldus von der Bank. "De echte wereld daarentegen wel – en niet te zuinig ook."

De op maat gemaakte automatiseringsoplossing voor HASE maakt het mogelijk om een breed scala aan kachelmodellen te produceren.

Modulaire productarchitectuur van de software realiseert wensen van de klant

Om ervoor te zorgen dat de simulatie van de lasnaden en de lasparameters optimaal aansloten op het werk van de robotbesturing en om het "nateachen" tot een minimum te beperken, pasten alle deelnemers KUKA.Sim aan de behoeften van HASE aan - de modulaire productarchitectuur van de software maakt het mogelijk! Een ander belangrijk voordeel: de gegevens zijn 100 procent consistent, zodat de virtuele en de echte besturing met exact dezelfde gegevens werken. Op deze manier creëert KUKA.Sim de basis voor een virtuele inbedrijfstelling.

Dankzij de modulaire productarchitectuur kan de software exact worden aangepast aan de eisen van HASE.

Hogere productiviteit dankzij high-end robotsysteem

Dankzij de uitstekende interactie tussen de digitale tweeling en de robots kon HASE de lastijd per kachel terugbrengen van 45 minuten naar 15 minuten. Vanwege de positieve ervaringen met het eerste systeem heeft HASE inmiddels een tweede systeem gebouwd, dat identiek is aan het eerste. Dit minimaliseert de werkduur voor programmering en besturing. De twee nieuwe systemen vervangen de oudere vijf systemen - een enorme winst aan ruimte voor de productie!

Nauwkeurig en efficiënt: dankzij de uitstekende interactie tussen de digitale tweeling en de robots werd de lastijd per kachel teruggebracht van 45 naar 15 minuten.

Offline kunnen we een kachelprogramma met behulp van de digitale tweeling binnen twee uur programmeren - online zouden we een heel systeem twee weken buiten bedrijf moeten stellen.

Martin Altmeier, programmeur bij HASE Kaminofenbau GmbH

De kachelproducent kan nu tot wel 25.000 kachels per jaar produceren, tegenover maximaal 15.000 voorheen. "Voor ons zijn de twee high-end robotsystemen de grootste lasinnovatie tot dusverre", vat Fischer samen. "Het moeilijkste aan de automatisering is een manier te vinden om tegelijkertijd een breed productportfolio af te dekken. We hebben deze uitdaging samen met KUKA en Paul von der Bank GmbH met succes het hoofd weten te bieden." Het geheim van het succes van het project ligt ook in de samenwerking: KUKA bood HASE een totaalpakket aan en ontwikkelde samen met de klant en de systeempartner ter plaatse een oplossing op maat.

Automatisering als kans

Met het oog op het toenemende tekort aan geschoolde arbeidskrachten zien de werknemers van HASE de automatiseringsoplossing niet als een bedreiging voor hun baan, maar als een hulpmiddel om het bestaan van het bedrijf veilig te stellen. HASE wil de middenweg van nuchter vakmanschap en innovatieve automatisering consequent voortzetten en werkt nu al samen met KUKA aan concepten voor geautomatiseerd kanten en lakken evenals aan het lassen van modules. Voor moderne, schone houtkachels - en nog meer behaaglijkheid in de woonkamer.