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Industrieroboter

Ab wann sich die Anschaffung eines Robotersystems lohnt

| Autor / Redakteur: Reinhart/Magaña Flores/Zwicker* / Katharina Juschkat

Ein neues Robotersystem im Unternehmen – ab wann lohnt sich die Anschaffung?
Ein neues Robotersystem im Unternehmen – ab wann lohnt sich die Anschaffung? (Bild: ©AndSus - stock.adobe.com)

Robotersysteme liegen im Trend – immer mehr Unternehmen setzen auf die automatisierten Helfer. Doch ab wann lohnt sich die Anschaffung eines Industrieroboters?

Industrieroboter bieten Unternehmen viele Vorteile – sie arbeiten schnell, zuverlässig und sind ausfallsicher. Doch mit einem Robotersystem kommen auch neue Kosten auf ein Unternehmen zu. Neben den offensichtlichen Anschaffungskosten gibt es viele langfristige Kosten zu beachten. Aber ab wann lohnt es sich für ein Unternehmen, ein Robotersystem einzusetzen?

Industrieroboter kaufen – was muss man beachten?

Um zu verstehen, ob sich die Anschaffung wirklich lohnt, ist es wichtig, die gesamte entstehende flexible Fertigungsanlage mit einer konventionellen Fertigung ohne Roboter zu vergleichen. Neben den Anschaffungskosten für den Roboter kommen insbesondere noch die Kosten für die Peripheriegeräte und für Anpassungen an vorhandene Maschinen sowie die Installationskosten auf das Unternehmen zu. Auch die Planung, die Inbetriebnahme, der Betrieb, die Wartung und die Instandhaltung kosten Geld. Die Amortisationszeiten von Robotersystemen liegen bei 3 bis 4 Jahren – erst dann lohnt sich das neue System.

BUCHTIPPDieser Artikel ist ein Auszug aus dem Buch „Industrieroboter“. Das Fachbuch ist ein Handbuch für KMU mit Tipps und Tricks zum Thema Robotereinsatz. Es werden die wichtigsten Grundlagen der Robotertechnik vermittelt und Methoden erläutert, wie bewertet werden kann, ob sich ein Produkt oder Prozess durch Robotereinsatz automatisieren lässt. Jetzt bestellen

Wirtschaftlichkeit von Robotersystemen

Zusätzlich zu den direkt entstehenden Kosten müssen auch die qualitativen Aspekte in die Bewertung eines automatisierten Systems einbezogen werden. Ebenso muss der Anwender die Flexibilität des Roboters berücksichtigen: Ein Roboter kann nicht nur für eine einzelne Anwendung verwendet, sondern bei einer Umstellung der Produktion auch für andere Aufgaben eingesetzt werden. Die Wiederverwendung eines Roboters und von Teilen der Peripherie reduziert den Investitionsaufwand für neue Fertigungsanlagen in der Regel deutlich, so dass die Wirtschaftlichkeit von Robotersystemen im Vergleich zu konventionellen Systemen oft erst bei einer Produktionsumstellung oder einem Modellwechsel deutlich wird. Im Folgenden werden verschiedene Verfahren zur Investition und Kostenrechnung vorgestellt und anhand eines Beispiels verdeutlicht.

Ergänzendes zum Thema
 
Definitionen: Was sind Kosten bei Industrierobotern?

Welche Kosten bei Robotern anfallen

Da Robotersysteme generell in einem Fertigungsbereich aufgestellt werden, liefert eine Einteilung der Kosten nach betrieblichem Funktionsbereich zum Vergleich solcher Anlagen keinen Mehrwert. Einzelne Komponenten können bei einer Produktumstellung weiter genutzt werden. Somit sind die Kosten im gesamten Lebenszyklus relevant und die Systeme lassen sich am besten über eine Aufteilung der Kosten nach Anschaffungs-, Betriebs- und Verwertungskosten miteinander vergleichen. Die einzelnen Kostenarten können dann noch weiter untergliedert werden.

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Die Anschaffungskosten: Was kostet ein Roboter?

Bei den Anschaffungskosten können die einzelnen Komponenten für sich betrachtet oder Komponentengruppen gebildet werden. So können die Roboterkosten mit den Kosten der Peripheriegeräte verglichen werden. Zudem können die Kosten für einzelne Komponenten eines Robotersystems, z. B. Sicherheitstechnik, Materialflusssysteme, Sensoren, Endeffektoren, einander gegenüberstehen und so Optimierungspotenzial sichtbar gemacht werden.

Die Kosten für den Roboter an sich sind nur ein kleiner Anteil der gesamten Anschaffungskosten. Die Investitionskosten für den Roboter werden vor allem durch dessen Kenngrößen beeinflusst. Hierzu zählen die Traglast, die Reichweite und die Genauigkeit. Zusätzlich hat die Anzahl der Achsen einen Einfluss auf die Kosten eines Roboters. Detaillierte Formeln zur Berechnung der Anschaffungskosten finden Sie in dem Buch Industrierobotik, dem dieser Artikel entnommen ist.

Die Betriebskosten

Die Betriebskosten werden einerseits in die Kostenarten Instandhaltungskosten, Raumkosten, Energiekosten, Kosten für Hilfs- und Betriebsstoffe, Personalkosten und Werkzeugkosten unterschieden. Diese Kosten sind stark vom Produktionsprozess und nicht von den Eigenschaften des Systems abhängig. Dadurch kann es vorkommen, dass die Betriebskosten über die Nutzungszeit stark variieren. Zu den Betriebskosten zählen andererseits auch die Material-, Rüst-, Lager- und Entsorgungskosten. Diese sind stark vom hergestellten Produkt abhängig und werden deshalb nicht näher beschrieben. In der Kalkulation müssen sie jedoch berücksichtigt werden.

Die geplanten Instandhaltungskosten umfassen die Kosten für Wartung, Inspektion und Instandsetzung. Sie werden von der Art, Dauer und Häufigkeit der Instandhaltungsmaßnahmen beeinflusst. Die Instandhaltung beeinflusst auch die Wahrscheinlichkeit eines ungeplanten Ausfalls der Maschinen. Damit unterliegt die geplante Instandhaltung dem Zielkonflikt zwischen einer hohen Verfügbarkeit des Systems und niedrigen Instandhaltungskosten. Für die Ermittlung der Instandhaltungskosten sind zuverlässigkeitsrelevante Kennzahlen der verbauten Komponenten erforderlich. Für eine erste Näherung können die Instandhaltungskosten über einen Faktor kalkuliert werden. Ein typischer Wert für die jährlichen Instandhaltungskosten sind 10% der Beschaffungskosten des Systems.

Die Raumkosten werden maßgeblich vom Layout des Robotersystems und dem dafür notwendigen Raumbedarf beeinflusst. Der Raumbedarf wird dabei vom Handhabungsgerät und dessen Reichweite sowie dem Flächenbedarf für die benötigten Peripheriegeräte definiert. Durch die Anbindung des Endeffektors am Roboter fällt sein Arbeitsraum in denjenigen des Roboters. Großen Einfluss auf den Raumbedarf haben die Materialfluss- und Bereitstellungsstrategie und die dafür notwendigen Anlagen. Ist das Robotersystem durch einen Schutzzaun umgeben, kann für den entsprechenden Flächenbedarf die Fläche innerhalb dieses Zauns angesetzt werden. Die außerhalb dieses Bereichs angebrachte Peripherie darf jedoch nicht vernachlässigt werden.

Die Energiekosten eines Robotersystems umfassen die Kosten für Strom und Druckluft und werden von dem Energieverbrauch der einzelnen Systemkomponenten und deren Nutzungsdauern beeinflusst. Die Energiekosten sind über die Nutzungsdauer nicht konstant. Die Hauptstromverbraucher eines automatisierten Systems sind Roboter und Steuerung sowie applikationsbedingte Ausrüstungen, beispielsweise beim Schweißen Schweißtisch, Schweißstromquelle bzw. Transformator und der Laser. In der Praxis ist der Energieverbrauch des Roboters von der Größe, der Reichweite, der Traglast, der Beschleunigung und der Verfahrgeschwindigkeit abhängig.

Die Kosten für Hilfs- und Betriebsstoffe ergeben sich aus der Effizienz der jeweiligen Komponenten und Prozesse im Rahmen der Fertigungsaufgabe. Beim Metallschutzgasschweißen ist vor allem der Verbrauch von Schutzgas und Schweißdraht zu nennen. Der Verbrauch von Kühlwasser kann bei entsprechenden Rückführungssystemen entfallen. Für die Reinigung der Brennerdüsen wird ein Trennmittel benötigt.

Die Personalkosten hängen einerseits von der Anzahl an notwendigen Mitarbeitern und deren Ausbildungsstand und andererseits von der Arbeitszeit ab. Die Kosten beziehen sich hierbei auf das gesamte Robotersystem und nicht auf einzelne Komponenten. Die Personalkosten teilen sich vor allem in die zwei Bereiche Programmierung und Bedienung auf. Hochautomatisierte Anlagen benötigen kein Bedienpersonal. Es müssen lediglich für wenige Anlagen Mitarbeiter vorhanden sein, die im Fall einer Störung eingreifen können. Bei teilautomatisierten Anlagen müssen hingegen Mitarbeiter eingesetzt werden, die z. B. den Roboter mit Einzelteilen versorgen.

Werkzeugkosten fallen vor allem in denjenigen Anwendungen an, bei denen ein Fertigungsprozess mithilfe des Roboters durchgeführt wird. Beim Schweißen werden diverse Schweißdüsen oder Elektroden benötigt. Beim Fräsen mit dem Roboter müssen die Fräswerkzeuge – wie bei einer Werkzeugmaschine – nach Erreichen einer Verschleißgrenze ausgetauscht werden. Bei Parallelbackengreifern fallen neben den Anschaffungskosten keine Werkzeugkosten an. Bei Sauggreifern kann es erforderlich werden, die einzelnen Sauger auszutauschen.

Die Verwertungskosten

Die Verwertungsphase gliedert sich in die zwei Bereiche Verkauf des Systems oder Verwertung in Form von Recycling oder Entsorgung. Die Flexibilität des Systems beeinflusst dabei den Restwert. Je flexibler ein System ist, desto höher ist der Restwert der Anschaffung. Da ein flexibleres System auch höhere Anschaffungskosten mit sich bringt, können die Verwertungskosten prozentual zu den Anschaffungskosten berechnet werden. Einfluss auf den Restwert haben auch die Betriebsstunden des Systems. Die Kosten für den Aufwand zum Rückbau der Anlage müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Bei der Entsorgung des Systems werden ebenfalls zwei Kategorien unterschieden. Einerseits entsteht metallischer Schrott, der verkauft werden kann. Dadurch entsteht eine Einnahme. Andererseits entsteht Schrott, der gegen Gebühren entsorgt werden muss. Je nach Verwertungsmöglichkeit entsteht so entweder eine Einnahme oder eine Ausgabe aus der Verwertung.

Praxisbeispiel: So kann die Wirtschaftlichkeit von Robotern berechnet werden

Im Rahmen einer Masterarbeit wurden mehrere Ausbaustufen für die Zellblock- und Modulmontage entwickelt und wirtschaftlich gegenüber gestellt. Im Folgenden soll das entwickelte System für die Grundstufe mit dem System der ersten Ausbaustufe anhand von Montagestückkosten und Amortisationszeit verglichen werden.

Eingabedaten für die Berechnung der Montagestückkosten und der Amortisationszeit.
Eingabedaten für die Berechnung der Montagestückkosten und der Amortisationszeit. (Bild: Reinhart/Magaña Flores/Zwicker)

In der Grundstufe des Systems sollen 1000 Module und somit 8000 Zellblöcke gefertigt und in der ersten Ausbaustufe dann bereits 4000 Module respektive 32.000 Zellblöcke hergestellt werden. Die Zielmontagestückkosten – ohne das zur Produktion notwendige Material – sollen bei 240 Euro pro Modul liegen. Die Betriebsdauer der Anlage beträgt 20 Jahre. Die Kennzahlen in der nebenstehenden Tabelle dienen ebenfalls als Eingabedaten für die Berechnung der Montagestückkosten und der Amortisationszeit.

Grundstufe: Nicht-automatisiertes System

Der Mitarbeiterstundensatz ist ein Durchschnittswert für die Gesamtlohn-/-gehaltskosten der Mitarbeiter. Er berücksichtigt bereits Lohn-/Gehaltsnebenkosten. Aufgrund des Einschichtbetriebs fallen keine Schichtzulagen an. Es wird von einer Systemverfügbarkeit von 90 % ausgegangen. Aufgrund der Größe und Ausstattung der Systeme wird mit einem Instandhaltungsfaktor von 0,05 gerechnet. Für die Maschinenstückkosten wird in diesem Fall mit der vorgegebenen Stückzahl und nicht mit der maximal möglichen Ausbringung der Anlage gerechnet.

Das finale Layout der Grundstufe (Station1 und 2 Zellblockmontage, Station 3 und 4 Modulmontage).
Das finale Layout der Grundstufe (Station1 und 2 Zellblockmontage, Station 3 und 4 Modulmontage). (Bild: Reinhart/Magaña Flores/Zwicker)

Die Grundstufe verzichtet aufgrund der niedrigen Produktionsleistung und dem Ziel geringer Investitionskosten auf die Automatisierung. Um eine Erhöhung der Produktionsmenge zu ermöglichen, werden zusätzliche Arbeitsplätze für eine Überkapazität vorgesehen. Das finale Layout der Grundstufe ist im nebenstehenden Bild zu sehen.

Die Anlagenfläche beträgt 50 m² bei einer Investitionssumme von 80.000 Euro. Die Investitionskosten setzten sich aus den Kosten für die vier Arbeitstische in Höhe von je 7500 Euro und sonstigen kleineren Invests für Schrauber, einfache Schweißsysteme und weitere in Höhe von 50.000 Euro zusammen.

Die Montagestückkosten der Grundstufe.
Die Montagestückkosten der Grundstufe. (Bild: Reinhart/Magaña Flores/Zwicker)

Insgesamt können mit zwei Mitarbeitern maximal 1770 Module und 13.563 Zellblöcke pro Jahr gefertigt werden. Bei erhöhter Nachfrage kann die Produktionsmenge unter Zuhilfenahme zweier weiterer Mitarbeiter auf 27.148 Zellblöcke und 3290 Module erhöht werden. In dieser Stufe werden ca. 2 kWh Strom pro Stunde verbraucht. Die Montagestückkosten betragen 236 Euro pro Stück. Die Amortisationszeit liegt bei 18,73 Jahren.

Ausbaustufe 1: Kleines Robotersystem wird integriert

In Ausbaustufe 1 können alle Betriebsmittel der Grundstufe wiederverwendet werden. Dies senkt die Investitionskosten im Vergleich zu einer Neuinvestition und den Aufwand zum Umbau der Anlage. Für die Kalkulation wird jedoch mit der Gesamtinvestition gerechnet, um vergleichbare Werte zu erhalten. Die Gesamtinvestition beträgt 157.000 Euro bei einer Amortisationszeit von 0,41 Jahren.

Das finale Layout der ersten Ausbaustufe (Station 1-3 Zellblockmontage, Station 4-6 Modulmontage).
Das finale Layout der ersten Ausbaustufe (Station 1-3 Zellblockmontage, Station 4-6 Modulmontage). (Bild: Reinhart/Magaña Flores/Zwicker)

Neben den Kosten aus der Grundstufe fallen für einen zusätzlichen Arbeitstisch Investitionskosten in Höhe von 7500 Euro und für das kleine Robotersystem in Höhe von 75.000 Euro an. Durch den Roboter erhöht sich der Energieverbrauch auf 5 kWh. Die Anlage besitzt einen Flächenbedarf von 60 m². Die Anlage kann mit fünf Mitarbeitern maximal 4631 Module und 40.723 Zellblöcke pro Jahr produzieren. Eine Erhöhung der Ausbringung ist hier nur durch eine Erhöhung der Betriebsstunden möglich. Die Montagestückkosten betragen 143 Euro. Das Layout der Ausbaustufe 1 ist im nebenstehenden Bild dargestellt.

Die Montagestückkosten der ersten Ausbaustufe.
Die Montagestückkosten der ersten Ausbaustufe. (Bild: Reinhart/Magaña Flores/Zwicker)

Die nebenstehende Tabelle zeigt die einzelnen Berechnungswerte. Die Gegenüberstellung der beiden Systeme zeigt, dass die erste Ausbaustufe bei gleichen vorgegebenen Montagestückkosten von 240 Euro pro Stück bereits nach einem Jahr amortisiert ist. Das Beispiel zeigt, wie wichtig die Eingabedaten der Anlagen für die Vergleichbarkeit sind. Für eine tiefergehende Betrachtung empfehlen wir einen Blick in das Buch „Industrierobotik“.

Dieser Artikel erschien zuerst auf unserem Schwesterportal Konstruktionspraxis.

* Autoren: Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart, Dipl.-Ing. Alejandro Magaña Flores, Dipl.-Ing. Carola Zwicker

* [1] Warnecke, H.J.; Bullinger H.-J.; Hichert, R.; Voegele, A.: Kostenrechnung für Ingenieure, 5. Auflage. München: Hanser Verlag.

* [2] Jórasz, W.: kosten- und Leistenrechnung. Stuttgart: Schässer-Poeschel-Verlag, 4. Auflage.

* [3] Wöhe, G.: Einführung in die Allgemeine Betriebswirtschaftslehre, 23. Auflage. München: Verlag Franz Vahlen.

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