Facts about Wirtschaftlichkeit Laser in der Mat

LASER IN DER MATERIALBEARBEITUNG
Laser in der Materialbearbeitung
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
Jürgen Scholz, Unterschleißheim
Laser in der Materialbearbeitung
Laser in der Materialbearbeitung
Einleitung
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
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:
Zum Inhalt
Einleitung
Maschinenstundensatz –
Basis der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
– 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.
Kosten pro Meter: Schneiden, Schweißen,
Oberflächenbehandeln
Einfluß der Gase auf die Verfahrenskosten
Zusammenfassung
– 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; CO2-Laser mit 1500 W Leistung; Maschinenstundensatz,
Lohnkosten und Restfertigungsgemeinkosten wurden aus Tabelle 1 übernommen
3
Laser in der Materialbearbeitung
Kosten pro Meter: Schneiden, Schweißen,
Oberflächenbehandeln
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.
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.
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.
78,7 %
79,4 %
3,4 %
1,5 %
1,3 %
15,1 %
3,4 %
0,6 %
1,3 %
15,2 %
Blechdicke 3 mm
Blechdicke 12 mm
Maschinenkosten +
Restfertigungsgemeink.
Betriebsgaskosten
Lohnkosten
Schneidgaskosten
Bild 1:
Stromkosten
Kosten beim Laserstrahlbrennschneiden
von Baustahl mit Sauerstoff 3.5,
Ein-Schichtbetrieb, 80% Nutzungszeit der Maschine
75,2 %
71,7 %
3,3 %
5,8 %
1,2 %
14,5 %
3,1 %
10,4 %
1,1 %
13,7 %
Blechdicke 3 mm
Blechdicke 6 mm
Maschinenkosten +
Restfertigungsgemeink.
Betriebsgaskosten
Lohnkosten
Schneidgaskosten
Bild 2:
Stromkosten
Kosten beim Laserstrahlschmelzschneiden von
CrNi-Stahl mit Stickstoff 5.0,
Ein-Schichtbetrieb, 80% Nutzungszeit der Maschine
4
100
100 %
Gasart A; Vorschub 100 %; Gaskosten 100 %
Gasart B; Vorschub 110 %; Gaskosten 200 %
70
Schweißkosten in %
60
70
60
50
Bild 4:
1,3 %
7,9 %
30
20
10
s
ga
utz
h
Sc
as
sg
eb
i
r
t
Be
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Lo
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c
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M
0
Ge
ko sam
st ten
4,3 %
5%
om
Str
40
1,2 %
0
4,5 %
30
21,4 %
23,3 %
40
10
Kostenvergleich unterschiedlicher Gasarten beim Laserstrahlschweißen
Einfluss der Gase auf die Verfahrenskosten
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.
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 CO2-Laseranlagen die Betriebsgase, Linsen und Düsen. Bei den Betriebsgasen liegt der Grund hierfür bei den heutzutage sehr
niedrigen Verbräuchen moderner CO2-Laser. Die Kosten für
Linsen und Düsen liegen wegen der langen Lebensdauer zumeist deutlich unter 1 % der Verfahrenskosten.
5
Schneidkosten [DM/m]
80
50
20
4
3
Auch beim Laserstrahlbrennschneiden läßt sich eine Einsparung erzielen. Durch den Einsatz von Sauerstoff mit höherer
Reinheit (O2 3.5) ergibt sich gegenüber dem Sauerstoff technischer Qualität (O2 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
O2 2.5
2
O2 3.5
1
0
Bild 3:
60,4 %
67,1 %
80
90
Schweißkosten in %
90
95,4 %
100
0
2
4
6
8
10
Blechdicke [mm]
Schneidkosten beim Schneiden
mit Sauerstoff 99,62 % und 99,97 % Reinheit
5
Laser in der Materialbearbeitung
Zusammenfassung
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“).
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 LaserInteressenten 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.
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.
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.
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Gase von Linde sind weltweit im Einsatz – sei es in der metallverarbeitenden Industrie und Metallurgie, in der Medizin, der Umwelttechnologie, der Nahrungsmittelindustrie oder der Wasserstofftechnologie.
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