Teknologi Baru Mendorong Pertumbuhan Pengelasan Robot
Apakah ini waktu yang tepat untuk mengotomatisasi operasi pengelasan Anda? Khawatir tentang berapa lama Anda dapat mempertahankan tukang las berpengalaman Anda? Perlu meningkatkan throughput Anda tetapi tidak melihat bagaimana dengan tenaga kerja yang tersedia? Ditantang oleh bahan yang lebih keras? Berbagai kemajuan teknis membuatnya relatif mudah untuk memecahkan masalah ini dengan mengotomatisasi operasi pengelasan Anda, dengan pengembalian yang sangat cepat.
Tiga Kali Lebih Cepat
Ada dua kategori besar pengelasan otomatis, yang disebut otomatisasi "tetap" dan pengelasan "fleksibel" (atau robot). Otomatisasi tetap seringkali khusus untuk aplikasi dan yang terbaik adalah ketika geometri bagian dan lasannya sangat sederhana. Misalnya, ini umumnya merupakan solusi terbaik untuk mengelas pipa. Namun untuk sebagian besar aplikasi industri dan segala sesuatu yang kompleks, pengelasan robotik sangat ideal dan merupakan fokus dari artikel ini.
Seperti yang dijelaskan Jason Lange, manajer bagian dalam penjualan, Lincoln Electric Co. (Cleveland), “Tujuan utama robot adalah membantu pengulangan las. Nomor dua adalah untuk mengurangi penyalahgunaan pada tukang las. Bagian yang bergerak sepanjang hari dan merangkak di bawah perlengkapan yang berbeda membebani manusia. Robot membantu ergonomis.”
Sangat penting untuk mempermudah tukang las karena semakin sulit ditemukan. “Ada banyak sekolah teknologi di seluruh negeri yang berinvestasi dalam program pengelasan untuk mencoba membantu menjembatani kesenjangan itu,” lanjut Lange. “Tetapi pada hari tertentu, jumlah orang yang pensiun melebihi penggantian yang masuk, menciptakan kekosongan. Pengelasan robot membantu mengisi kekosongan itu.”
Pada saat yang sama, “pengembalian pada sistem robot biasanya jauh lebih baik daripada yang Anda kira,” jelas Erik Miller, manajer pengembangan bisnis—kelompok laser di Miller Electric Mfg. Co.(Appleton, WI). “Satu sistem robot akan membuat bagian sebanyak tiga tukang las. Anda menghemat dua gaji per shift dan biaya sel pra-rekayasa rata-rata adalah $ 100.000 hingga $ 120.000. Itu membayar untuk dirinya sendiri dalam waktu sekitar satu tahun. Biasanya, jika Anda dapat mengotomatiskan proses dan mendapatkan pengembalian dalam waktu kurang dari setahun, itu adalah sesuatu yang Anda lakukan segera. Jika dua tahun, itu adalah sesuatu yang harus Anda pertimbangkan dengan serius.”
Jadi otomatisasi robot sangat membantu dalam meningkatkan throughput. Tetapi sumber yang diwawancarai untuk artikel ini menekankan bahwa itu bukan pengganti tenaga kerja terampil. “Anda masih membutuhkan tukang las yang berkualitas untuk menjalankan robot itu,” seperti yang dikatakan Lange.
Mengganti Material Alasan Lain untuk Mengotomatisasi
Perubahan bahan kerja selama sepuluh tahun terakhir telah mendorong perbaikan dalam pengelasan, banyak di antaranya tidak mungkin diterapkan secara manual, seperti pengelasan laser, menurut Erwin DiMalanta, direktur, lini bisnis pengelasan &pemotongan, ABB Robotics (Auburn Hills, MI) . “Produsen dari segala sesuatu mulai dari kendaraan pertambangan hingga mobil menggunakan bahan yang berbeda untuk mengurangi biaya dan berat dan untuk mengakomodasi solusi powertrain yang berbeda,” katanya. “Produsen otomotif telah beralih ke baja dengan kekuatan lebih tinggi dan kekuatan ultra tinggi, yang memiliki sifat metalurgi yang membuatnya lebih kuat, lebih ringan, dan lebih tahan korosi, namun dengan kemampuan bentuk dan kemampuan las yang tinggi. Itu secara drastis mengubah cara struktur logam dirancang, dibentuk, dan dirakit.” Sementara produsen mungkin telah menggunakan cetakan stempel tradisional untuk memotong fitur di bagian tersebut, mereka sekarang menggunakan proses stempel panas dan teknologi laser otomatis untuk membentuk dan memotong bagian tersebut.
“Contoh lainnya adalah peralihan ke aluminium untuk aplikasi yang lebih banyak,” kata DiMalanta. “Tergantung pada mobilnya, sebanyak 90% dari bodi mungkin aluminium sekarang. Karena konduktivitasnya yang lebih tinggi, Anda memerlukan lebih banyak arus listrik untuk mengenali aluminium las dan arus identik dengan panas. Namun kita akan menggunakan material pengukur yang lebih tipis. Di beberapa kendaraan, bahannya setebal 1 mm. Jadi, bagaimana Anda menghadapi tren yang berlawanan arah ini?”
Jawabannya adalah peningkatan teknologi untuk kontrol elektronik dan mekanis dari pengelasan busur, dan peningkatan penggunaan pengelasan laser. Untuk pengelasan busur, DiMalanta mengatakan bahwa “sumber daya sekarang sangat canggih dan dikendalikan secara elektronik. Pengendapan material ke dalam kolam las dikontrol dengan hati-hati, dengan bentuk gelombang yang disesuaikan.” Miller menambahkan bahwa bentuk gelombang khusus semacam itu “mengendalikan masukan panas pada bagian-bagian, yang dapat mengurangi distorsi, dan juga meningkatkan tampilan kosmetik lasan”.
Dia juga menunjuk metode mekanis yang disebut Kawat Aktif dari Panasonic. “Ini adalah umpan kawat dua arah di mana kawat masuk ke depan untuk membuat short dan kemudian mundur dari genangan air, mengulangi tindakan tipe mesin jahit ini pada 120 Hertz. Ini mengurangi masukan panas dan juga sangat mengurangi percikan. Ini juga meningkatkan konsistensi serangan busur pada setiap lasan. Ini sangat populer untuk pengelasan aluminium dan untuk pengelasan lembaran logam tipis.”
Semakin ringan komponennya, semakin maju materialnya untuk memungkinkan struktur kompleks sambil mempertahankan kekuatan, kata DiMalanta. “Robot dan sistem perangkat lunak canggihnya membantu menghubungkan proses untuk menangani materi ini dengan jalur robot.”
Pengelasan Laser Pilihan yang Menarik
Dengan kemampuannya yang secepat kilat untuk mengelas berbagai macam bahan (termasuk bahan yang berbeda), laser mungkin merupakan hal terbesar yang terjadi pada pengelasan dalam beberapa dekade. Dan seperti yang dikatakan Masoud Harooni, insinyur teknologi canggih senior—las laser di Trumpf Inc. (Hoffman Estates, IL), “berita terbesar dalam pengelasan laser dalam beberapa tahun terakhir adalah penurunan harga laser.
“Sistem pengelasan laser lebih mudah dikendalikan,” lanjut Harooni. “Anda memilih satu kekuatan dan satu kecepatan. Setelah disesuaikan, Anda memproses seluruh bagian dengan sedikit percikan. Dalam pengelasan busur Anda harus mempertahankan busur dan parameter pengelasan peka terhadap perubahan jarak antara obor dan benda kerja. Bagian yang berbeda dari [benda kerja] membutuhkan lebih banyak arus, atau lebih sedikit arus, dan ini menyebabkan stabilitas proses yang lebih sedikit. Meskipun loop umpan balik pada sistem pengelasan busur modern sangat baik, sistem ini tidak pernah benar-benar disesuaikan dengan sempurna. Komponen yang dilas dengan laser membutuhkan lebih sedikit pasca-pemrosesan daripada komponen yang dilas dengan busur, yang seringkali harus digiling. Anda juga memiliki masalah dalam menangani percikan dan perlu membersihkan nozel dalam sistem pengelasan busur.”
Mungkin yang lebih penting, pengelasan laser dapat mencapai pengelasan yang lebih dalam tanpa kerusakan akibat panas, bahkan pada bahan seperti aluminium dan magnesium yang rentan terhadap retak atau porositas dengan pengelasan busur. Harooni menjelaskan, karena laser bisa mencapai kerapatan daya 108 watt per sentimeter persegi. Ini menghasilkan lubang kunci, area berongga dalam yang dibuat dengan menguapkan logam benda kerja. Saat sinar laser bergerak di sepanjang bagian, ia mempertahankan lubang kunci kecil yang dikelilingi oleh kolam cair, sementara material di belakangnya mengeras.
“Anda mendapatkan lasan yang kuat dan dalam tanpa masukan panas yang ekstrem ke bagian tersebut,” katanya. “Pengelasan busur tidak memiliki kerapatan daya, jadi satu-satunya cara untuk mencapai las yang lebih dalam adalah dengan meningkatkan masukan panas. Sifat mekanik dari bagian yang dilas dengan masukan panas yang lebih sedikit dan distorsi yang lebih sedikit jauh lebih baik daripada bagian dengan masukan panas yang lebih tinggi.”
Miller menyatakan bahwa “dampak awal pengelasan laser ada pada pengelasan otomotif, karena volume tinggi dan [keuntungan teknis]. Produsen lembaran logam juga harus melihat pengelasan laser. Manfaat sebenarnya adalah mengganti pengelasan titik resistansi, yang dapat menjadi tantangan bagi manufaktur volume sedang hingga rendah. Pemasangan bisa jadi sulit, karena akses diperlukan ke sisi atas dan bawah komponen, sedangkan pengelasan laser hanya membutuhkan akses sisi atas, jadi lebih mudah untuk diotomatisasi. Anda juga dapat menggunakan robot dengan muatan yang lebih rendah untuk pengelasan laser, bersama dengan optik tetap yang sederhana.”
Dibandingkan dengan robot muatan besar dengan lengan kuat yang membawa alat besar dengan dua elektroda, produsen sekarang dapat menggunakan robot delapan kg yang lebih aman, memasang kepala proses ke sana, dan mengotomatiskan pengelasan titik resistansi dengan relatif mudah.
“Area lain dalam lembaran logam di mana pengelasan laser bermanfaat adalah dalam pembuatan kotak,” katanya. “Pengelasan sudut luar yang membutuhkan tampilan kosmetik, dan yang membutuhkan sedikit atau tanpa finishing logam setelahnya, adalah area yang sangat menarik bagi kami.”
Menurut Miller, laser memberikan solusi yang baik pada bagian-bagian yang aksesnya terbatas. Laser hanya membutuhkan garis pandang untuk membuat lasan, sedangkan dalam aplikasi las busur robot harus memindahkan obor besar di dalam dan di sekitar bagian, yang bisa sangat sulit. “Dalam pengelasan laser, kita sering berjarak 500 mm dari benda kerja. Ini seperti menembakkan pistol sinar. Laser juga memiliki kecepatan pemrosesan yang jauh lebih tinggi dan input panas keseluruhan yang lebih rendah ke bagian tersebut, yang mengurangi distorsi. Ini adalah alat yang sempurna untuk pengelasan autogenous.”
Kerugian dari pengelasan laser, jelas Harooni, adalah Anda “harus memastikan tidak ada celah antar komponen, atau menggunakan garis fusi, yang menggabungkan pengelasan laser dengan bantuan kawat, di mana Anda melelehkan kawat ke dalam kolam sehingga Anda dapat menutupi kesenjangan. Tetapi pengelasan laser jauh lebih cepat sehingga sepadan dengan investasi ekstra dalam pemasangan. Misalnya, jika Anda membuat 50 bagian sehari dengan pengelasan busur robot, pengelasan laser robot dapat menghasilkan 300, 500, atau bahkan ribuan bagian yang sama dalam sehari.”
Masuk ke Otomasi Pengelasan
Terjun ke otomatisasi pengelasan lebih mudah dari sebelumnya. Pertama, pemain utama menawarkan perangkat lunak pengaturan off-line yang memprogram pekerjaan berikutnya pada PC dengan tingkat realisme yang tinggi, mentransfer program itu ke robot, dan memulai pengelasan. ABB bahkan menggunakan teknik realitas virtual untuk memungkinkan pengguna "berkolaborasi" dengan peralatan las robot.
“Anda benar-benar dapat mengambil robot di leher, sehingga untuk berbicara, dan mengarahkannya seperti yang Anda lakukan pada anjing dengan tali,” jelas DiMalanta. “Ini bisa jauh lebih intuitif daripada menggunakan teaching pendant.”
Kedua, sistem ini dapat memiliki mekanisme yang secara otomatis beradaptasi dengan perubahan posisi dari satu bagian ke bagian berikutnya dan memantau kualitas las.
Seperti yang dijelaskan oleh David Schaefer, spesialis produk di Miller Electric, “Ada beberapa jenis sensor yang menangani perubahan lokasi sambungan. Salah satunya adalah penginderaan sentuh dan lainnya adalah pelacakan jahitan melalui busur. Saat menggunakan penginderaan sentuh, robot dapat turun dan menggunakan kabel las busurnya untuk memeriksa bagian tersebut. Ia memeriksa delta antara lokasi yang diprogram dan lokasi sebenarnya untuk memprogram ulang dirinya sendiri.
“Dalam pelacakan jahitan through-the-arc, ketika Anda menenun melintasi sambungan, seperti dengan las fillet atau las lap jika bahannya cukup tebal, ia mendeteksi perubahan arus listrik dan menentukan kapan sambungan tersebut berada di sambungan dan kapan di luar sambungan. sambungan, dan kemudian mengikuti las itu saat sedang dilas,” lanjut Schaefer. “Anda juga memiliki opsi untuk menggunakan optik laser daripada penginderaan tipe kawat, tetapi ide dasarnya sama.”
Lange dari Lincoln Electric mengatakan bahwa “cara lain untuk melakukannya adalah melalui kamera yang mengambil gambar 2D atau 3D dari bagian tersebut. Kami dapat mengimbangi program dan sambungan offset berdasarkan lokasi fisik suku cadang. Kamera yang lebih baru tidak terpengaruh oleh silau seperti yang mungkin terjadi pada kamera beberapa tahun yang lalu. Mereka dapat melihat lebih banyak warna dan membaca definisi suatu bagian, membedakan bayangan dan pantulan dari bagian tersebut.” Harooni menambahkan bahwa “optik saat ini juga memberi kami kemampuan untuk memeriksa kualitas lasan secara real time tanpa perlu pengujian yang merusak”.
Ketiga, semua robot menawarkan beberapa bentuk deteksi tabrakan. Miller dari Miller Electric mengatakan bahwa itu merupakan peningkatan paling signifikan pada lengan robot itu sendiri. “Previously, a customer would create his program based on the known X-Y-Z position of the torch. Let’s say the robot has been welding half the shift and the operator leaves a clamp open. The robot would likely bang into the clamp, bending the torch. That would cause every weld in that program to be out of alignment because the end of the torch has been bent and that position has changed. Today, if the robot hits an object, even at high speed, it reads the resulting current spike as an obstruction. This causes the robot to immediately go into flex servo mode, which delays the application of the brake for a certain distance that’s specified for each axis. The robot goes ‘limp,’ in effect. This allows the robot to dissipate the momentum, minimizing damage to the tool. This means you can have a high-speed collision without bending the torch.”
Four, all the major players offer pre-engineered robotic cells with everything you need on a pallet (or several). “A work cell would be a fully designed unit with all the safeguards in place,” said Lange. “You’d typically see fencing or steel walls, usually safety scanners, lights, push buttons to enable the robot to go, key interlocks, and some sort of positioning device in front of the robot, such as a turntable or a ferris wheel. These devices bring the part into the work zone while the operator loads additional parts on the opposite side. Or you could have just a fixed table where the robot is going to process. There would also be a welding power source, the torch, and some reamers to clean the bits if needed. You just need to connect it to electricity and a gas source.” And if one of the off-the-shelf solutions doesn’t work, customized turnkey solutions are available.
So What’s to Worry About?
“When we consult with a potential customer about welding automation, we look at their upstream fabrication,“ explained Schaefer of Miller Electric. “If they’re using lasers and CNC equipment to bend, brake, and cut the material, they’ll have much better success at robotically welding it than if they were hand cutting it or using a chop saw. Those shops can get away with it now because when they hand weld the parts the welders can adjust accordingly, but the robot won’t.” Miller added that welding is usually the last thing that gets automated at a facility because upstream processes must be accurate first. “Parts have to be cut accurately, then bent accurately. Then you can weld them,” he said.
Besides assuring that parts are repeatable, fixturing that limits or eliminates the gaps is required, as Schaefer explained:“You can’t weld air. A human operator can see a gap and react accordingly, generally by increasing the wire stickout in order to reduce the amperage, which reduces the heat and the penetration, and then start to weave to fill the gap. A robot won’t do this. It will burn through.”
Conversely, Lange said some customers have been spending thousands or hundreds of thousands of dollars in some cases on tooling to hold parts when they could cut that price in half by improving upstream processes. That provides the required repeatability downstream, which ultimately lowers the cost of the tooling and decreases the amount of rework and scrap.
After part quality and repeatability, the next most important concern is “knowing and understanding the welding process as it relates to welds itself and welds through the automated device,” said Lange.
So who should you train to run the automated welding? Either an experienced welder or someone who’s eager to learn welding (which takes weeks) plus welding automation.
Schaefer cautioned that “You need the right culture in the facility. People with jobs can feel threatened by automation coming into the facility. I’d be very up front with my people about the benefits, how it will make the company more efficient, help it grow and be more competitive and ultimately hire more people.”
Finally, batch sizes must be big enough for automation. As Lange put it, “The time it takes to do off-line programming, put in on the robot and do a quick setup definitely produces a good return if your batch sizes run for roughly a day or a day and a half. If you’re changing a part very hour, you might not be quite as effective in ROI.”
