Heißes Eisen

Handhabungsautomatisierung optimiert die Wärmebehandlung. Hochtemperaturverfahren wie Härten, Löten oder Beschichten sind problematische Prozesse, die sich von anderen Fertigungsvorgängen erheblich...

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Handhabungsautomatisierung optimiert die WärmebehandlungHochtemperaturverfahren wie Härten, Löten oder Beschichten sind problematische Prozesse, die sich von anderen Fertigungsvorgängen erheblich unterscheiden. Dennoch wird die Wärmebehandlung in vielen Unternehmen am Ergebnis und Reaktionsvermögen anderer Produktionsprozesse gemessen. Vergleicht man die verschiedenen Prozesse, zeigt sich, dass thermische Verfahren vor allem bezüglich des Automatisierungsgrades, der Integration in den Produktionsfluss und der Flexibilität verbessert werden müssen. Änderungsbedarf besteht außerdem in Bezug auf die Fertigungsrate, die Produktionsplanung sowie die Kostenkontrolle. Die Wärmebehandlung hat somit großen Einfluss auf die Qualität eines Produktes, die Kosten sowie die gesamte Fertigung. Nur wenn ein optimaler Arbeitsablauf für die Wärmebehandlung gegeben ist, kann auch die Produktivität signifikant erhöht werden.In vielen Produktionsprozessen ist der Einsatz von Robotern heute Stand der Technik, sei es als ausführendes Hauptelement einer bestimmten Tätigkeit oder als Hilfsmittel. Zahlreiche Beispiele vollautomatisierter Bearbeitungszentren und Fertigungs- oder Montagelinien zeigen, dass Roboter in fast alle Produktionseinheiten integriert werden können.Auch in der Wärmebehandlung sind Teile des Prozesses, zum Beispiel der Transport der Werkstückträger in den Ofen, bereits automatisiert. Doch vor allem das Be- und Entladen dieser Gestelle mit den Werkstücken wird meist manuell ausgeführt, weil der Einsatz von Maschinen bislang nur eingeschränkt möglich war. Ein Grund hierfür liegt beispielsweise darin, dass während eines Hochtemperaturverfahrens oft unvorhersehbare Veränderungen in der Position und den Abmessungen der Werkstücke eintreten, die von Maschinen oder Robotern nur mit hohem technischen Aufwand erkannt werden. Ursache hierfür sind die Maß- und Formänderungen der konventionellen, metallischen Gestelle. In den vergangenen Jahren gab es jedoch einige technische Neuentwicklungen, die eine Handhabungsautomatisierung bei der Wärmebehandlung durchaus ermöglichen. So können mittels neuer Werkstoffe wie den Faserverbundkeramiken C/C oder C/SiC nicht nur leichte, sondern vor allem verzugsfreie Härtegestelle gefertigt werden, die sicher transportiert und be- oder entladen werden können. Neue Verbundkonstruktionen aus Stahl und der genannten Hightech-Faserkeramik machen die Gestelle selbst für Serienanwendungen wirtschaftlich (Bilder 2 und 3). Ebenso können auf Basis dieser Werkstoffe hitzebeständige Hilfs- und Betriebsmittel wie Greifer für Roboter gefertigt werden. Diese leistungsfähigen Roboter sind mittlerweile zu weitaus niedrigeren Preisen als noch vor einigen Jahren erhältlich. Bessere Erkennungssysteme erleichtern das BeschickenAußerdem wurden im Bereich der Erkennungssysteme Fortschritte erzielt, so dass inzwischen ein Beschicken der Gestelle oder Anlagen (falls keine Gestelle notwendig sind) trotz einer ungenauen Position des Transportelements erfolgen kann. Durch die Automatisierung dieser Handhabungs- und Transportaktivitäten lassen sich deutliche Verbesserungen im Produktionsfluss erreichen, da so die Anzahl nicht wertschöpfender Aktivitäten erheblich sinkt und die Prozesszeiten verkürzt werden. Die Stuttgarter Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe demonstrierte dies bereits im Rahmen eines Industrieprojektes mit der Firma Lemken, einem Hersteller landwirtschaftlicher Geräte. Das Unternehmen hatte beschlossen, für die Abteilung Umformung aus Kapazitäts- und Rationalisierungsgründen in eine neue Anlage zu investieren. Ziel des Projektes war die Integration der Wärmebehandlungsanlage in die Fertigung sowie die Vermeidung der manuellen Tätigkeiten bei der Handhabung und Lagerung der glühenden und dazu sehr schweren Werkstücke. Rollenbahn als VerbindungDaher entschied sich die Firma Lemken für eine Anlage, die in der Lage sein sollte, die Teile automatisch durch einen Hochtemperaturofen zu fahren, umzuformen, zu härten und anschließend in einem Niedertemperaturofen anzulassen. Verbunden wurden die Anlagenteile durch Rollenbahnen, auf denen die Werkstücke transportiert werden. Das Be- und Entladen der Anlage übernimmt ein Sechsachsroboter, der imstande ist, alle Werkstückvariationen mittels modularer und hitzebeständiger Greifertechnik aufzunehmen, zu transportieren und positionsgenau abzustellen. Die Entwicklungen in den Wärmebehandlungstechnologien sowie die Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit der Transport- und Handhabungssysteme für die Automatisierung der manuellen Tätigkeiten bilden somit die Basis für eine Integration des thermischen Prozesses in die Fertigungskette. Allerdings gibt es dafür keine allgemeingültige Lösung. Das Konzept ist jeweils abhängig von der Komplexität und den Kosten des zu fertigenden Produktes, der gewünschten Flexibilität sowie der zu erzielenden Ausbringung innerhalb der Fertigungskette. Und auch die Struktur des Betriebes selbst bestimmt die Möglichkeiten der Prozessintegration. Vergleicht man zum Beispiel ein kleines oder mittleres Unternehmen (KMU) der Werkzeugbranche mit einem Zulieferbetrieb in der Automobilindustrie und einer Lohnhärterei, zeigen sich deutliche Unterschiede in den jeweiligen Produktionsanforderungen und Rahmenbedingungen. So gibt es KMU, die zum Beispiel Sonderanfertigungen herstellen oder Massenproduzenten sind. Produktvielfalt und die Anforderungen an die Flexibilität unterscheiden sich signifikant. Eine Lohnhärterei beispielsweise muss in der Regel über sehr hohe Kapazitäten verfügen, um die Nachfrage auch in Spitzenzeiten befriedigen und ihre Termine einhalten zu können. Selbst wenn diese verschiedenen Betriebe also gleiche oder ähnliche thermische Anlagen verwenden, sind die Unterschiede in den Nachfrageänderungen, der Produktvielfalt, der Einhaltung von Lieferterminen und der Einflussnahme der Kunden in den Produktionsprozess so groß, dass eine einheitliche Lösung zur Integration der Wärmebehandlung in die Fertigungskette praktisch nicht möglich ist. Für jedes Unternehmen muss daher individuell herausgefunden werden, in welcher Produktionsumwelt der thermische Prozess stattfindet und welche Schritte und Maßnahmen für dessen Integration notwendig sind.