Laser in der Materialbearbeitung

LASER IN DER MATERIALBEARBEITUNG Laser in der Materialbearbeitung Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Jürgen Scholz, Unterschleißheim

Laser in der Materialbearbeitung Laser in der Materialbearbeitung Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Zum Inhalt Einleitung Maschinenstundensatz Basis der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Kosten pro Meter: Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandeln Einfluß der Gase auf die Verfahrenskosten Zusammenfassung Einleitung Der erfolgreiche Einsatz einer Laserstrahlanlage in der Materialbearbeitung wird nicht nur durch technologische Gesichtspunkte bestimmt, sondern auch durch die Wirtschaftlichkeit. Es ist daher notwendig zu hinterfragen, welche Kosten durch die Laserstrahltechnik entstehen, welchen Stellenwert die einzelnen Kostenanteile haben und welchen Einspareffekt die Lasertechnik bietet. Der Einsatz der Lasertechnik in der Materialbearbeitung beruht im wesentlichen auf einem der folgenden technologischen oder wirtschaftlichen Gründe: Die Erzeugung einer Kontur, einer Verbindung oder einer Oberflächeneigenschaft ist nur durch den Einsatz der Lasertechnik möglich. Hier ist die Lasertechnik fast zwangsläufig die wirtschaftlichste Fertigungsmethode, da Alternativlösungen nur mit unverhältnismäßig hohem konstruktiven und technologischen Aufwand realisiert werden können. Die Frage nach der Wirtschaftlichkeit steht hier zwar nicht unbedingt im Vordergrund, darf aber dennoch nicht unberücksichtigt bleiben. Die Lasertechnik bietet, im Vergleich zu einem etablierten Fertigungsverfahren, technologische Vorteile für das Endprodukt. In diesen Fällen wird die Wirtschaftlichkeit zumeist ein Kriterium unter mehreren anderen für oder wider den Einsatz eines Laserstrahlverfahrens sein. Wird beispielsweise die Produktlebensdauer eines Bauteiles durch die Verwendung einer Laserschweißnaht erhöht, so wird sich das Laserstrahlschweißen auch bei vergleichbaren Kosten als mögliche Fertigungsvariante etablieren können. Die Lasertechnik bietet eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit als eine etablierte Fertigungsmethode. Bei technologisch vergleichbaren Bearbeitungsergebnissen kann nur eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigen, welches Verfahren die kostengünstigere Alternative darstellt. Der Laser konkurriert mit einem äußerst kostengünstigen etablierten Fertigungsverfahren. Dieses benötigt jedoch für gute Ergebnisse Vor- und/oder Nacharbeiten, evtl. verbunden mit dem Einsatz ökologisch bedenklicher Wirkstoffe. In diesem Fall kann der Lasereinsatz diese Arbeiten überflüssig machen oder entscheidend reduzieren. Die Wirtschaftlichkeit des Laserstrahlverfahrens errechnet sich dann aus dem reduzierten Gesamtaufwand. Um den Einsatz der Lasertechnik aufgrund der möglichen Kosten fundiert begründen zu können, muß ein aussagefähiger Rechengang gefunden werden. Die Rechnung mit dem Ma- Die eingesetzten Daten und Preise sind in allen Tabellen dieser Broschüre unverbindlich und können nicht für reale Anwendungsfälle herangezogen werden. Für diese sind die jeweiligen betriebsbezogenen Werte zu verwenden. 2

Tabelle 1: Ermittlung des Maschinenstundensatzes und des Fertigungskostensatzes am Beispiel einer Laserstrahlschneidanlage im Ein- und Drei-Schichtbetrieb Tabelle 2: Schneidkosten pro Meter Schnitt beim Laserstrahlbrennschneiden; Schneidgas: Sauerstoff; Werkstoff: Baustahl; CO 2 -Laser mit 1500 W Leistung; Maschinenstundensatz, Lohnkosten und Restfertigungsgemeinkosten wurden aus Tabelle 1 übernommen 3

Laser in der Materialbearbeitung schinenstundensatz bzw. dem Fertigungskostensatz bietet hierzu einen ersten Ansatz. In Verbindung mit der Ermittlung der Kosten pro Meter für die Laserstrahlbearbeitung beziehungsweise für die Kosten pro Bauteil lassen sich aussagekräftige Daten für einen Verfahrensvergleich ermitteln. Die Betrachtung der Kosten pro Meter bezieht Nebenzeiten nicht in die Rechnung mit ein, hingegen müssen bei der bauteilbezogenen Betrachtung diese berücksichtigt werden. Da Nebenzeiten aber sehr stark durch die Maschinenausstattung oder auch durch Peripherie (z.b. Teilezufuhr oder Teileabfuhr) bestimmt werden, ist es bei einem Verfahrensvergleich sehr schwierig, realistische Werte zu verwenden. Da Linde eine maschinenunabhängige Kostenbetrachtung bevorzugt, wird im folgenden auf die Kosten pro Meter näher eingegangen werden. Maschinenstundensatz Basis der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Bei der im Folgenden gewählten Vorgehensweise zur Ermittlung von Maschinenstundensätzen und davon ausgehend auch der Fertigungskostensätze haben wir uns an erprobte Verfahren sehr eng angelehnt. Die wesentliche Grundlage bildet der Band BWB 7 Das Rechnen mit Maschinenstundensätzen aus der VDMA-Schriftenreihe. Tabelle 1 (Seite 3) zeigt ein allgemeines Beispiel anhand einer Laserstrahlschneidanlage, in welchem alle relevanten Punkte aufgeführt sind. Kosten pro Meter: Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandeln In Tabelle 2 ist ein Beispiel für die Schneidkostenermittlung pro Meter Schnitt für das Laserstrahlschneiden von Baustahl im Ein- und Drei-Schichtbetrieb gezeigt. Bei dieser Art der Betrachtung können die einzelnen Kostenarten sehr gut aufgeschlüsselt werden. Dieses Beispiel zeigt, daß der Maschinenstundensatz den größten Anteil an den Gesamtkosten beansprucht. Durch eine hohe Auslastung der Anlage können die Kosten daher am einfachsten und deutlichsten reduziert werden. Das Schema aus der Tabelle 2 (Seite 3) kann natürlich auch für die Kostenermittlung beim Laserstrahlschmelzschneiden mit Stickstoff herangezogen werden. Bei der Kostenermittlung pro Meter für das Laserstrahlschweißen oder das Oberflächenbehandeln mit Lasern kommt ein leicht abgewandeltes bzw. ergänztes Schema zum Tragen. Anstelle des Schneidgases wird dann das Schutzgas gesetzt. Ergänzt werden muss das Schema um Positionen wie Zusatzwerkstoffe, Draht oder Pulver und Pulverfördergas. 78,7 % 79,4 % Blechdicke 3 mm Maschinenkosten + Restfertigungsgemeink. Lohnkosten 3,4 % 1,5 % 1,3 % 15,1 % Betriebsgaskosten Schneidgaskosten 3,4 % 0,6 % 1,3 % 15,2 % Blechdicke 12 mm Stromkosten Bild 1: Kosten beim Laserstrahlbrennschneiden von Baustahl mit Sauerstoff 3.5, Ein-Schichtbetrieb, 80% Nutzungszeit der Maschine 75,2 % 71,7 % Blechdicke 3 mm 3,3 % 5,8 % 1,2 % 14,5 % Blechdicke 6 mm 3,1 % 10,4 % 1,1 % 13,7 % Maschinenkosten + Restfertigungsgemeink. Lohnkosten Betriebsgaskosten Stromkosten Schneidgaskosten Bild 2: Kosten beim Laserstrahlschmelzschneiden von CrNi-Stahl mit Stickstoff 5.0, Ein-Schichtbetrieb, 80% Nutzungszeit der Maschine 4

100 100 Schweißkosten in % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5 % Strom 4,5 % Gasart A; Vorschub 100 %; Gaskosten 100 % Gasart B; Vorschub 110 %; Gaskosten 200 % 4,3 % 7,9 % 1,3 % 1,2 % 23,3 % Schutzgas Betriebsgas Lohn 21,4 % 67,1 % 60,4 % 100 % Maschinenkosten Gesamtkosten 95,4 % 50 40 30 20 10 0 90 80 70 60 Schweißkosten in % Bild 4: Kostenvergleich unterschiedlicher Gasarten beim Laserstrahlschweißen Einfluss der Gase auf die Verfahrenskosten Für die Analyse der Verfahrenskosten sind die oben angeführten Schemata sehr hilfreich. Die jeweiligen Kostenanteile an Maschinenkosten, Lohn, Energie, Verbrauchs- und Hilfsstoffe werden sehr gut aufgeschlüsselt. Bei allen hier behandelten Laserverfahren beanspruchen die Maschinenkosten (inkl. der Restfertigungsgemeinkosten) zusammen mit den Lohnkosten den größten Anteil. Den geringsten Anteil bilden bei CO 2 -Laseranlagen die Betriebsgase, Linsen und Düsen. Bei den Betriebsgasen liegt der Grund hierfür bei den heutzutage sehr niedrigen Verbräuchen moderner CO 2 -Laser. Die Kosten für Linsen und Düsen liegen wegen der langen Lebensdauer zumeist deutlich unter 1 % der Verfahrenskosten. Schneidkosten [DM/m] Bild 3: 5 4 3 2 1 O 2 2.5 O 2 3.5 0 0 2 4 6 8 10 Blechdicke [mm] Schneidkosten beim Schneiden mit Sauerstoff 99,62 % und 99,97 % Reinheit Die Arbeitsgase für das jeweilige Laserbearbeitungsverfahren gehen je nach Gasart und notwendigen Verbrauchsmengen mit unterschiedlichen Anteilen in die Kostenstruktur ein. Für das Laserstrahlschneiden ist dies in den folgenden beiden Bildern (Seite 4) dargestellt. Während für das Laserstrahlbrennschneiden mit Sauerstoff der Anteil der Schneidgase sehr gering ist (Bild 1), bildet das Schneidgas beim Laserstrahlschmelzschneiden mit Stickstoff einen größeren Teil (Bild 2). Hier fließen die deutlich niedrigere Vorschubgeschwindigkeit, die höheren Gasdrücke und somit die höheren Gasverbräuche in die Rechnung ein. Andererseits bieten Gase auch Einsparmöglichkeiten für den Lasereinsatz, die über den eigentlichen Gaskostenanteil weit hinausgehen. Die Qualität der Schnitte beim Laserstrahlschmelzschneiden mit Stickstoff ist für eine weitere Verarbeitung der Teile oft deutlich höher als die gestellten Anforderungen. Auf kostenintensive Nachbearbeitung kann daher verzichtet werden. Es entstehen also auch Einsparungspotenziale bei nachgelagerten Bearbeitungsschritten. Auch beim Laserstrahlbrennschneiden läßt sich eine Einsparung erzielen. Durch den Einsatz von Sauerstoff mit höherer Reinheit (O 2 3.5) ergibt sich gegenüber dem Sauerstoff technischer Qualität (O 2 2.5) eine höhere Schneidgeschwindigkeit. Diese kompensiert problemlos den höheren Preis. In Bild 3 kommt dies deutlich zum Ausdruck. Nicht erkennbar ist, dass die höhere Gasqualität auch zu höherer Prozesssicherheit führt. Bei Sauerstoff technischer Qualität können durchaus auch höhere Qualitäten in der Flasche enthalten sein, als dies die Mindestqualität von 99,5% Reinheit vorsieht. Sollte dies der 5

Laser in der Materialbearbeitung Fall sein, so müssen für ein gutes Ergebnis die Schneidparameter angepasst werden. Wird jedoch Sauerstoff der Reinheit 3.5 verwendet, so wirken sich eventuell vorhandene höhere Reinheit nur in einem vernachlässigbarem Maß auf die Schneidparameter aus (siehe hierzu auch Linde Sonderdruck SD 153 Einfluss der Sauerstoffreinheit auf die Schneidgeschwindigkeit und die Schneidkosten beim Laserstrahlbrennschneiden ). Beim Laserstrahlschweißen läßt sich dieser Effekt ebenfalls nachweisen, stellt sich aber in den meisten Fällen differenzierter dar. Im einfachsten Fall kann die Schweißgeschwindigkeit durch ein an den Prozess optimal angepasstes Schutzgas bzw. Schutzgasgemisch gesteigert werden. Hier wird die Einsparung selbst bei einem teureren Schutzgas, wie in Bild 4, sichtbar. Nicht so ohne weiteres lassen sich die Auswirkungen einer geringeren Spritzerbildung, einer optisch ansprechenderen Naht oder einer höheren Prozesssicherheit erfassen. In dem oben angeführten Kalkulationsschema können derartige Einflussfaktoren nicht berücksichtigt werden. Sie müssen jedoch in eine vollständige Kostenbetrachtung einfliessen. Das heißt, auch nachgeschalteter eventuell entfallender bzw. reduzierter Aufwand muss einbezogen werden. Berücksichtigt werden muss auch, dass eine laserschweißgerechte Konstruktion einen großen Beitrag zu einer kostengünstigsten Laserschweißung beitragen kann. Eine reine Substitution ohne konstruktive Änderungen einer konventionellen Schweißnaht durch eine Lasernaht wird nur sehr selten wirtschaftlich erfolgreich sein. Zusammenfassung Die Verfahren der Lasertechnik gehören auf den ersten Blick nicht zu den kostengünstigen Fertigungsverfahren. Sie stehen vielfach aufgrund der hohen Investition sogar in dem Ruf, ausgesprochen teure Verfahren zu sein. Bei Betrachtung aller Rahmenbedingungen zeigt sich jedoch, dass nicht nur technologische, sondern auch wirtschaftliche Vorteile mit Laserverfahren zu erzielen sind. Dies beinhaltet auch vor- und nachgelagerte Arbeitsschritte sowie die Konstruktion. Die aufgezeigten Kalkulationsschemata können bei einer Kostenermittlung sehr hilfreich sein und haben ihre Praxistauglichkeit schon in vielen Fällen bewiesen. Linde bietet jedem Laser- Interessenten und Anwender die Möglichkeit der Erstellung individueller Berechnungen für Maschinenstundensätze und Verfahrenskosten, wie z.b. Schnittmeter oder Schweißnahtmeter. Wir stehen Ihnen gerne für eine individuelle Kosten-Nutzen-Betrachtung zur Verfügung. Weitere Hinweise zur Kostenbetrachtung beim Laserstrahlschweißen finden sich im DVS-Merkblatt 3211 Kostenbetrachtungen zum Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißen. Die oben angeführten Beispiele Laserstrahlschneiden und Laserstrahlschweißen stellen nur eine Tendenz dar. Für den individuellen Fall kann über das zur Verfügung stehende Datenblatt auf MS-Excel-Basis eine genauere Berechnung erfolgen. 6

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