Schweißroboter und Schweiß-Cobots: Wann sich der Einsatz im Betrieb lohnt

Wer regelmäßig ähnliche Bauteile schweißt, kann heute auch in einem kleineren Betrieb über Robotik nachdenken. Besonders Schweiß-Cobots, also für die Zusammenarbeit mit Menschen entwickelte Roboter, haben die Einstiegshürde gesenkt: Handführung, grafische Bedienoberflächen und neuere Sensorsysteme können das Programmieren vereinfachen. Die klassische Roboterprogrammierung wird dadurch bei geeigneten Anwendungen weniger wichtig.

Ob sich ein Schweißroboter tatsächlich lohnt, entscheidet sich aber nicht allein an der Bedienung. Wichtig sind vor allem die Bauteile: Wie häufig wiederholen sie sich? Sind die Nähte gut erreichbar? Lassen sich die Werkstücke zuverlässig positionieren und spannen? Wie viel Zeit benötigen Programmierung und Rüsten?

Eine Fraunhofer/MIT-Feldstudie zu kleinen und mittleren Unternehmen beschreibt Losgröße, Geometrie, Nahtlänge, Vorrichtungen und Programmierzeit als wichtige Faktoren. Sie zeigt zugleich, dass Schweißfachkräfte weiterhin eine zentrale Rolle spielen: Ihr Wissen über den Schweißprozess wird nicht überflüssig, sondern um Bedienung und Programmierung des Roboters ergänzt.

Für eine Investitionsentscheidung sollte deshalb nicht die Frage „Brauchen wir einen Cobot?“ am Anfang stehen. Sinnvoller ist: Welche unserer wiederkehrenden Schweißaufgaben eignen sich überhaupt für eine Automatisierung?

Ein Schweißroboter führt den Schweißbrenner automatisiert entlang einer programmierten Bahn und übernimmt dabei wiederkehrende Schweißbewegungen mit hoher Genauigkeit. Im Mittelpunkt dieses Artikels steht das robotergestützte Lichtbogenschweißen, insbesondere das Metall-Inertgas- und Metall-Aktivgas-Schweißen (MIG/MAG). Auch das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) wird grundsätzlich mitbetrachtet.

Klassische Industrieroboter sind vor allem für wiederholbare Abläufe und eine hohe Produktivität ausgelegt. Ihre Stärken liegen häufig dort, wo größere Stückzahlen oder klar definierte Prozesse vorliegen. Sie werden in der Regel fest in eine automatisierte Fertigungsumgebung integriert und arbeiten innerhalb eines entsprechend abgesicherten Bereichs.

Was ist ein Schweiß-Cobot?

Schweiß-Cobots verfolgen einen etwas anderen Ansatz. Ein Cobot ist ein kollaborativer Roboter, der grundsätzlich für eine engere Zusammenarbeit mit Menschen ausgelegt ist. Systeme dieser Art lassen sich häufig einfacher bedienen und programmieren, beispielsweise über Handführung oder grafische Benutzeroberflächen. Dadurch können sie auch für kleinere Betriebe und wechselnde Schweißaufgaben interessant sein.

„Kollaborativ“ bedeutet beim Schweißen jedoch nicht, dass Mensch und Roboter automatisch ohne weitere Schutzmaßnahmen unmittelbar nebeneinander arbeiten können. Neben den Bewegungen des Roboters entstehen zusätzliche Gefahren durch den Schweißprozess selbst – etwa durch Lichtbogen, optische Strahlung, Hitze, Schweißspritzer oder Schweißrauch.

Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) stellt deshalb Anforderungen an die gesamte Anwendung. Dazu können unter anderem eine geeignete Schutzumhausung, eine Anschlussmöglichkeit für die Absaugung sowie CE-Kennzeichnung und Konformitätserklärung gehören.

Für die betriebliche Entscheidung sollte deshalb nicht nur der Roboterarm betrachtet werden. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Roboter, Schweißtechnik, Sicherheitseinrichtungen, Absaugung, Vorrichtungen und Integration. Erst dieses Gesamtsystem bestimmt, wie sicher, praktikabel und wirtschaftlich eine Schweiß-Cobot-Lösung im Betrieb eingesetzt werden kann.

Schweiß-Cobots einfacher programmieren

Eine wichtige Hürde beim Roboterschweißen war lange das Programmieren wechselnder Aufgaben. Beim klassischen Teachen werden Positionen schrittweise angefahren und gespeichert. Das kann bei kleinen Losgrößen viel Zeit beanspruchen.

Bei neueren Schweiß-Cobots lässt sich diese Hürde teilweise reduzieren. Systeme können beispielsweise durch Handführung programmiert werden. Fraunhofer IPA beschreibt außerdem eine gemeinsam mit TRUMPF und Lorch in industrielle Lösungen überführte Sensorlösung: Die Fachkraft positioniert den Roboter grob am Beginn der Schweißnaht. Ein Sensor erfasst anschließend die Naht, während die Software die Bahn und die Orientierung des Brenners berechnet.

Das erleichtert die Roboterbedienung. Das notwendige Schweißwissen ersetzt es nicht. Nahtvorbereitung, Schweißparameter, Brennerlage, Wärmeeintrag, Verzug, Bauteiltoleranzen und Qualitätsanforderungen bleiben wichtig.

Schweiß-Cobots auch bei kleineren Losgrößen einsetzen

Einfachere Programmierung und sensorbasierte Nahtfindung können Schweißroboter für variantenreichere Fertigung zugänglicher machen. Eine pauschale Aussage wie „Losgröße 1 lohnt sich“ lässt sich daraus aber nicht ableiten.

In der Fraunhofer/MIT-Feldstudie begrenzte der Programmieraufwand bei sehr kleinen Losen teilweise den Einsatz. In einem untersuchten Fall wurden trotz einer theoretisch hohen technischen Eignung nur rund drei Prozent der Schweißaufträge mit dem Cobot bearbeitet.

TRUMPF berichtet dagegen für ein konkretes Referenzbauteil mit fünf Nähten von einer um 21 Prozent kürzeren Gesamtzeit einschließlich Programmierung gegenüber dem Handschweißen. Das zeigt, dass auch ein Einzelteil in einer konkreten Anwendung schneller bearbeitet werden kann. Der Wert ist jedoch eine Herstellerangabe und kein allgemeiner Nachweis für andere Bauteile oder Betriebe.

Entscheidend sind deshalb unter anderem Nahtlänge, Zahl der Nähte, Spannaufwand, Wiederverwendbarkeit des Programms und notwendige Nacharbeit.

Fachkräfte durch Schweiß-Cobots entlasten

Robotergestütztes Schweißen kann vor allem bei repetitiven und körperlich belastenden Schweißaufgaben entlasten. Aus der Fraunhofer/MIT-Studie werden außerdem geringere Rauch- und Augenexposition der Schweißenden, eine konstante Schweißqualität und potenziell weniger Nacharbeit berichtet.

Dabei verschiebt sich die Arbeit. In einem untersuchten Betrieb wurden drei Schweißfachkräfte für die Programmierung des Cobots qualifiziert. Die Schulung durch den Integrator dauerte dort weniger als einen Tag; anschließend folgten ein bis zwei Wochen eigenständigen Lernens.

Das Beispiel zeigt: Schweißfachwissen bleibt wichtig. Beschäftigte können zusätzlich Aufgaben beim Einrichten, Programmieren und bei der Qualitätssicherung übernehmen.

Welche Bauteile eignen sich für Schweiß-Cobots?

Ein Mensch kann beim Handschweißen auf Abweichungen reagieren, ein Werkstück situativ halten oder seine Arbeitsweise anpassen. Ein Roboter ist stärker auf reproduzierbare Bedingungen angewiesen.

Vor einer Investition sollten deshalb reale Bauteile betrachtet werden. Wichtig sind insbesondere Wiederholhäufigkeit, Nahtzugänglichkeit, Bauteiltoleranzen, Spann- und Wendetechnik, Schweißverfahren, Qualität der Vorprozesse und notwendige Nacharbeit. Auch Platz, Materialfluss und die Zuständigkeit für Programme, Schweißparameter, Wartung und Qualität spielen eine Rolle.

Sensorik kann Abweichungen zwischen programmierter und tatsächlicher Schweißnaht teilweise ausgleichen. Wie weit das möglich ist, hängt jedoch vom eingesetzten System und von der jeweiligen Anwendung ab.

Was kostet ein Schweiß-Cobot im Betrieb?

Für eine realistische Rechnung muss das Gesamtsystem betrachtet werden. Dazu können neben Roboter und Schweißquelle auch Tisch und Vorrichtungen, Positionierer, Sensorik, Schutzumhausung, Absaugung und Sicherheitstechnik, Integration, Schulung, Wartung sowie interne Programmier- und Rüstzeit gehören.

Eine 2022 veröffentlichte Fraunhofer/MIT-Studie nannte für die damals betrachteten Schweiß-Cobot-Lösungen Investitionen von ungefähr 50.000 bis 100.000 Euro.

Aktuelle Anbieterbeispiele aus der zugrunde liegenden Marktbetrachtung liegen bei ab 49.000 Euro für ein Komplettpaket beziehungsweise bei 57.999,99 Euro netto als zeitlich begrenztem Aktionspreis für ein anderes Schweißpaket. Diese Preise stammen von Anbietern beziehungsweise Händlern und unterscheiden sich in ihrer Ausstattung. Sie sind deshalb keine neutralen oder unmittelbar vergleichbaren Marktpreise.

Eine allgemeine Amortisationsdauer lässt sich daraus nicht ableiten. Dafür müssen Kosten und möglicher Nutzen am eigenen Teileportfolio gegenübergestellt werden.

Sicherheit bei Schweiß-Cobots richtig planen

Ein Schweiß-Cobot ist nicht allein deshalb sicher, weil sein Roboterarm für kollaborative Anwendungen ausgelegt ist. Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung weist darauf hin, dass die komplette Anwendung einschließlich Werkzeug und Werkstück in die Risikobeurteilung einbezogen werden muss.

Beim Schweißen kommen die Gefahren des Schweißprozesses hinzu. Für Details zum Schutzkonzept bieten die Informationen der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung zu Robotik und kollaborierenden Robotern eine geeignete Vertiefung.

Mit dem eigenen Teileportfolio in die Automatisierung starten

Vor der Beschaffung sollte ein konkreter Teilekorb zusammengestellt werden. Darin lassen sich reale Bauteile nach Wiederholhäufigkeit, Nahtzugänglichkeit, Toleranzen, Spanntechnik, Schweißverfahren, Nacharbeit und heutiger Bearbeitungszeit betrachten.

Anschließend können geeignete Bauteile beim Anbieter oder Integrator probegeschweißt werden. So lässt sich die Entscheidung an tatsächlichen Aufgaben ausrichten, statt zuerst einen Roboter zu kaufen und anschließend nach passenden Anwendungen zu suchen.