04.10.2006 | Redakteur: Josef-Martin Kraus
Im westeuropäischen Markt beobachten die Hersteller von Bearbeitungssystemen Taktzeiten zwischen 50 und 120 s pro Bauteil, zum Beispiel bei Kurbelgehäusen oder Zylinderköpfen. Um auf
Projektstudien im Vorfeld einer Anlagenkonzeption sollen beschreiben, wie wirtschaftlich eine Fertigungslinie betrieben werden kann. Dabei bestimmen die produktionstechnischen und wirtschaftlichen Vorgaben das technische Niveau. Das gilt sowohl für die Verfahrenstechnik als auch für die Automatisierung von Prozessen. So hat der asiatische Markt ganz spezifische Anforderungen. Typisch sind im Vergleich zu Westeuropa hohe Losgrößen und kürzere Taktzeiten, die im Durchschnitt bei 25 bis 30 s liegen. Der Faktor Flexibilität spielt dagegen eine untergeordnete Rolle.
Im westeuropäischen Markt beobachten die Hersteller von Bearbeitungssystemen Taktzeiten zwischen 50 und 120 s pro Bauteil, zum Beispiel bei Kurbelgehäusen oder Zylinderköpfen. Um auf vertretbare Stückkosten zu kommen, müssen die Bearbeitungslinien verschiedene, geometrisch ähnliche Werkstücke verarbeiten können. Grund dafür sind die kleiner gewordenen Losgrößen. Daher spielen die Rüstzeiten eine größere Rolle, weil es häufig zum Bauteilwechsel kommt. Flexible Reinigungskonzepte haben daher Vorteile. Sie können einfacher auf diverse Werkstücktypen umgestellt werden.
Ähnliches gilt für die Wartung: Solide Konzepte sichern die Verfügbarkeit der Anlagen auch in Phasen von Inspektion und Wartung und vermeiden damit unnötige Produktionsausfälle. Die Wartungsfreundlichkeit von Produktionsanlagen entscheidet sich in der Konzeptionsphase. Dies haben alle Anbieter heute im Blick. Das Hauptmerkmal für ein Fertigungssystems besteht darin, daß unterschiedliche Werkstücke auf simultan bearbeitet werden können.
In diesen Fertigungslinien befinden sich verfahrenstechnisch knifflige Wasch- und Entgratprozesse zur Zwischen- und Endreinigung. Die Zielsetzung ist, Späne und Bearbeitungsflüssigkeiten sowie Grate vor Montageschritten und Messaufgaben entsprechend festgelegter Restschmutzwerte zu beseitigen. Klassisches Konzept der 90er Jahre waren Wasch- und Entgratanlagen mit Hub-Schritt-Förderern, wie sie sich in vielen Fertigungslinien der Automobilindustrie befanden. Ein Hubbalken-Fördersystem transportiert in der Regel Kurbelwellen, Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe oder Getriebe positionsgenau durch einzelne Behandlungsstationen.
Bei diesem System werden die soliden Ergebnisse jedoch mit hohen Energiekosten für den Transport durch die Prozessschritte und mit einer geringen Anwendungsflexibilität erkauft. Jeder Weitertransport ist mit einer Hub-Senkbewegung und Übergabe in eine neue Behandlungsposition verbunden. Das heißt: Verlust an potenzieller Energie und unnötige Störkonturen sind nicht vermeidbar. Auch genügt die Flexibilität nicht den heutigen hohen Anforderungen. Anspruchsvolle Pflichtenhefte fordern die Behandlung unterschiedlicher Teile bei Taktzeiten von etwa 25 s. Das Hub-Schritt-System kann in der Regel nur einen Bauteiltyp behandeln.
Noch heute finden sich einige deutsche und asiatische Anbieter für dieses Anlagensystem, das ursprünglich vom Hersteller Wache in Hamburg vor über 20 Jahren entwickelt wurde. Wird nun im Rahmen dieser Aufgabenstellung – Taktzeit um 30 s und Flexibilität für eine Bauteilgruppe bei vorgegebener Restschmutzmenge – der Waschprozess genauer analysiert, ist ein Vergleich zu jüngsten Anlagenkonzepten am Markt anzustellen. In diesem Fall geschah das anhand einer typischen Aufgabenstellung.
Für eine bei einem Automobilhersteller installierte Anlage hat man eine Projektstudie als Konzeptionsbasis erstellt, in der eine Roboterzelle und eine Rundtaktanlage von MTM miteinander verglichen wurden. Beide Anlagenkonzepte sind zum Waschen und Entgraten vergleichbarer Motorenteile unter folgenden Bedingungen geeignet:
• Es werden vier unterschiedliche Werkstücke behandelt, wobei in der Anlaufphase noch zwei auslaufende Werkstücke mitbehandelt werden mussten.
• Es sind Tieflochbohrungen und Bearbeitungsflächen zu entgraten.
• Eine Umrüstung auf zukünftige ähnliche Motorkomponenten muss möglich sein.
• Die Behandlungsschritte sind Injektionsflutreinigung, Hochdruck-Entgraten, Spülen und Abblasen sowie Vakuumtrocknen. Die Taktzeit für die Gesamtbehandlung soll etwa 30 s pro Bauteil betragen.
Eine robotergestützte Anlage besteht in der Regel aus einzelnen Roboterzellen. So befindet sich ein Roboter im Nassraum der Kabine. Er übernimmt das Waschgut von einer Rollenbahn oder einem außen arbeitenden Portalumsetzer. Nach der Beschickung wird die Kabine geschlossen. Das Waschgut wird zuerst zur Vorreinigung innerhalb der Kabine in eine Injektionsflutkammer eingetaucht und dort am Roboterarm bewegt. Dann wird es vom Roboter an stationär angebrachte Hochdruck-Wasserstrahl-Lanzen geführt und dort an Bohrungen und Kanten entgratet. Danach folgt meist ein Umspannen der Teile, weil eine der sechs Werkstückseiten immer von der Robotergreifeinrichtung selbst verdeckt ist. An dieser Seite findet anschließend ein weiterer Hochdruck-Entgratprozess statt.
Zum Schluss legt der Roboter das Bauteil wieder auf die Rollenbahn oder übergibt es an den Portalumsetzer. Das Teil wird weiter zur nächsten Station transportiert. Dies ist wiederum eine Roboterzelle, wo der Roboter das Bauteil unter einen scharfen Luftstrahl hält und somit abbläst. Der Roboter übergibt dann das Teil wieder an einen Portalumsetzer oder eine Rollenbahn. Von dort wird es einer Vakuumkammer zur Trocknung zugeführt. Nach dem Vakuumtrocknen ist das Teil gereinigt.
Die Nachteile einer robotergestützten Teilereinigung liegen in den sehr hohen Nebenzeiten. Die aktive Behandlungsdauer liegt nur bei ungefähr 25 bis 30% der Taktzeit. Dies führt dazu, dass man natürlich eine große Anzahl von Roboterzellen benötigt, um auf eine vernünftige Taktzeit von 25 bis 30 s zu kommen. Dazu muss eine Anlage aus sechs Roboter-Hochdruckentgratzellen, zwei Roboter-Abblaszellen und zwei Vakuumtrockenkammern bestehen. Sie ist zweispurig aufgebaut. Die Taktzeit in der Endausbaustufe liegt bei 28 s. Diese Anlage hat einen elektrischen Anschlusswert (ohne Heizung) von etwa 1200 kWh. Weil die Hochdruckzellen immer nur mit einer kurzen Aktivzeit laufen, befinden sie sich gut 70% der Taktzeit im Stand-by-Betrieb.
In diesen Phasen können Anlagenteile wie Hochdruck- und große Flutinjektionspumpen nicht ausgeschaltet werden. Sie „laufen“ kontinuierlich durch. Die Hochdruckpumpe verbraucht in ihrer Nicht-Aktivzeit immer noch ungefähr 80% des elektrischen Anschlusswerts. Ein Hochdruckaggregat der Anlage benötigt einen elektrischen Leistungsanschluss von 40 bis 100 kW und eine Flutinjektionspumpe mit 30 bis 45 kW je nach Fabrikat. Jede einzelne Roboterzelle benötigt diese Aggregate. Darüber hinaus ist für die Waschanlage etwa 450 kW technische Wärme als elektrischer Anschlusswert zum Aufheizen der zentralen Medienversorgung erforderlich. Unter den Projektbedingungen benötigt eine robotergestützte Anlage 350 m2 Stellfläche.
Der Vorteil einer robotergestützen Teilereinigung ist, dass man sehr unterschiedliche Bauteile in der Anlage „fahren“ kann. Man muss nicht sortenrein beschicken, sofern die Spannpunkte für den Roboter gleich sind. Für drei Prozessschritte wird jeweils ein Roboter benötigt. Das System ist jederzeit durch neue Roboterzellen erweiterbar.
MTM hat mit der Rundtaktanlage Omega eine Alternative zur robotergestützten Teilereinigung entwickelt: Die Teile werden im Rundtakt zu den einzelnen Bearbeitungsstationen gebracht, so dass idealerweise parallel mit kürzesten Nebenzeiten behandelt werden kann. Die Anlage ist bei Einsatz von Robotern für das Hochdruck-Entgraten, wobei diese allerdings im Trockenen stehen, vergleichbar flexibel. Die Nebenzeiten liegen jedoch bei 2 bis 5 s und sind somit wesentlich kürzer als beim robotergestützten Konzept.
Im Rahmen der Projektstudie hat die Rundtaktanlage die gleiche Aufgabe bewältigt wie die rein robotergestützte Teilereinigung: in 28 s Taktzeit unterschiedliche Bauteile zu behandeln. Dabei kam man mit nur zwei Robotern aus, die aber nicht die Teile greifen, sondern die Hochdrucklanzen im umspannungsfreien Entgratprozess führen. Dazu befinden sich die Roboter oberhalb der schwenkbaren Behandlungskammern. Jede Behandlungskammer bildet selbst die siebte Achse des Roboters. Sie sorgt für die Werkstückdrehung in die ideale Entgratposition. Energetisch günstig und flexibel kann der jeweilige Roboter ohne Schwierigkeiten gezielt Positionen und Bohrungen zum Entfernen von Graten anfahren.
Allein ein Vergleich der Investitionskosten ist lohnenswert. Für die in der Tabelle aufgeführten Verfahrensparameter muss der Betreiber einer Roboterzelle nach dem beschriebenen Konzept etwa 2,3 Mio. Euro bezahlen. Eine Rundtaktanlage kostet dagegen lediglich etwa 1,2 Mio. Euro. Die Betriebskosten – nur für den Energieverbrauch – fallen noch eindeutiger zugunsten der Rundtaktanlage aus. MM
Dr. Thomas Isenburg ist technischer Berater für Teilereinigung in Kierspe.
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