Faserkeramik CFC-Gestelle und -Greifer erlauben Automatisierung der Wärmebehandlung

Innerhalb der Produktionskette gilt die Wärmebehandlung oft noch als Nadelöhr und unwegsames Niemandsland zwischen der Weich- und Hartbearbeitung von Werkstücken. Zu Unrecht. Die Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe TEG in Stuttgart zeigt, wie mithilfe des Hightech-Werkstoffs CFC der Engpass Hochtemperaturprozess automatisiert werden kann.

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Fraunhofer-Technologie- Entwicklungsgruppe (TEG) Stuttgart

Der Vergleich ist eher unsportlich: Obwohl Hochtemperaturvorgänge wie Härten, Hartlöten oder Beschichten in einer ganz anderen Liga wie beispielsweise spanabhebende oder umformende Produktionsvorgänge spielen, müssen sie sich mit den gleichen Maßstäben wie ihre „Mitspieler“ messen lassen. Denn es kommt auch hier auf Faktoren an, die sich letztlich betriebswirtschaftlich rechnen sollten: Durchlaufzeiten, Automatisierung, Flexibilität, Instandhaltung. Hinzu kommen Kriterien wie Kostenkontrolle, Kapazität, Wirtschaftlichkeit und Qualitätssicherung.

Um die Rationalisierungspotenziale aufzudecken, die eine Integration der Wärmebehandlung in die Fertigungskette ermöglichen, wurden von der Fraunhofer Technolgoie-Entwicklungs-Gruppe (TEG), Stuttgart, praktikable Produkte entwickelt: für Anlagenauswahl und -planung, für Werkstückträger, Handhabungstechnik und Automatisierung. Alle Schritte bedingen sich gegenseitig oder bauen aufeinander auf.

Nur mit der Annahme der gesamten Herausforderung kann man die Problemzone Hochtemperaturprozess in den Griff bekommen und somit den Engpass Wärmebehandlung überwinden.

Als kleinstes Nadelöhr – um im Bild zu bleiben – stellt sich das Beschicken des Werkstückträgers heraus – der Gestelle, die die Werkstücke in die Hochtemperaturöfen (bis 1300 °C) transportieren. Ist der Prozess der Wärmebehandlung in der Serienfertigung meist automatisiert, erfolgt das Beschicken der Gestelle fast ausschließlich manuell und oft genug ungeordnet.

Automatisierung scheitert meist an der Beschickung

Das heißt: Die Werkstücke werden teilweise einfach wahllos in Sammelbehältern durch die Öfen geschickt – eine Vorgehensweise, die die Ausschussrate nach oben treibt und der Qualität nicht gerade zuträglich ist.

Die Gründe für die wahllose Werkstückanordnung und das umständliche manuelle Chargieren liegt in den nicht unerheblichen Maß- und Formänderungen herkömmlicher Metallgestelle bei hohen Temperaturen. Um das Problem zu lösen, bedienten sich die Stuttgarter Entwickler eines Werkstoffs, der ursprünglich aus der Luft- und Raumfahrttechnik kommt und als Bestandteil von Hitzeschutzschilden dient: CFC (Carbon Fiber Reinforced Carbon).

Dieser kohlefaserverstärkter Kohlenstoff beseitigt gleich mehrere Schwierigkeiten, weil er im Gegensatz zu Stahl als Gestellwerkstoff nahezu verzugsfrei und formstabil bleibt. Außerdem ist CFC viel leichter und allein dadurch schon einfacher zu handhaben.

Der im Vergleich zu konventionellen Gestellwerkstoffen höhere Preis wird aufgrund der längeren Gestelllebensdauer und der verbesserten Prozessqualität sehr schnell amortisiert. Nicht zuletzt dieses Argument hat bereits zu einigen Kundenaufträgen geführt und sogar ein CFC-Forschungsprojekt auf den Weg gebracht, das inzwischen erfolgreich abgeschlossen ist.

CFC-Gestelle als Voraussetzung für die Automatisierung

Darüber hinaus ermöglicht die Standardisierung von CFC-Werkstückträgern eine Automatisierung. Denn aus CFC können nicht nur Gestelle, sondern auch hitzebeständige Hilfs- und Betriebsmittel wie Greiferarme für Roboterstationen gefertigt werden.

Der Automatisierung in der Wärmebehandlung leisten die inzwischen insgesamt preisgünstigeren Roboter Vorschub sowie leistungsfähige Erkennungssysteme zur Identifizierung der Werkstücksposition.

So wurde im Rahmen einer Projektarbeit für die Großserienfertigung von Winkelschlüsseln ein Konzept zum teilautomatisierten Beladen von CFC-Werkstückträgern ausgearbeitet und umgesetzt: Ein Horizontal-Knickarmroboter greift jeweils 20 Schlüssel an der letzten Bearbeitungsposition automatisch und legt diese im 10-s-Takt definiert auf die CFC-Gestelle ab.

Diese werden stündlich manuell zu einer kompletten Charge zusammen gestellt. Die teilautomatisierte Lösung ist ökonomisch, ausreichend flexibel, und direkt auf die Produktionsbedingungen des TEG-Kunden abgestimmt.

Wärmebehandlungslinie mit CFC-Greifer komplett automatisiert

Ein weiteres Industrieprojekt umfasst die Integration eine Wärmebehandlungsanlage in die Fertigungskette eines Herstellers landwirtschaftlicher Geräte. Die Vorgabe: Vermeidung manueller Tätigkeiten bei Handhabung und Lagerung der glühenden und schweren Werkstücke. Die Fraunhofer TEG konzipierte daraufhin das Entladen des Durchlaufofens.

Das Entladen des Durchlaufofens wird heute von modernen Sechs-Achs-Robotern vorgenommen, die mit hitzebeständigen CFC-Greifern bestückt sind – und damit Werkstücke unterschiedlicher Geometrie aufnehmen, transportieren und positionsgenau in eine Härtepresse legen können. Die gehärteten kalten Werkstücke werden anschließend von den Sechs-Achs-Robotern in Lagerbehältern gelegt.

Neue Werkstoffe aus Faserkeramik für Gestelle und Hilfswerkzeuge, präzise Erkennungssysteme und preiswerte Robotertechnik bilden die Basis für die Integration thermischer Behandlungsprozesses in die Fertigungskette.

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Storz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Frauhofer-Technologie-Entwicklungs-Gruppe (TEG) in Stuttgart.

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