Automatisierung in der Kunststoffverarbeitung

Der Knickarm macht’s

Komplexe Kunststoffteile für die Automobilindustrie produzieren
Eine Rundsonotrode schmilzt die Montagedome auf und verschweißt sie.
In der Kunststoffindustrie haben traditionell Lineargeräte eine weitere Verbreitung als in anderen Branchen. Der Verarbeiter PVT hat sich jedoch für eine Automatisierungslösung mit drei Knickarm-Robotern im Zentrum entschieden, um eine komplexe Aufgabe zu lösen.

Mehr als 250 Patente hat der Thüringer Automobilzulieferer PVT in den letzten zehn Jahren angemeldet. Indiz dafür, dass das zur Bielefelder Möller Group gehörende Unternehmen zu den innovativen der Branche gehört. Gut 400 fest angestellte Mitarbeiter produzieren auf 16.000 Quadratmeter für namhafte Hersteller wie Audi, BMW, Daimler, Volkswagen und ebenso wie für Rolls Royce und Toyota, um nur einige zu nennen. Das Portfolio reicht von Handschuhkästen und Instrumentenverkleidungen über Türverkleidungen und Mittelkonsolen bis hin zu Lenksäulenverkleidungen und anderen Kunststoffteilen. Es entstehen nicht nur einzelne Bauteile, sondern Lösungsmodule, beginnend beim Spritzguss über das Beflocken und Kaschieren bis zum Hinterspritzen und Hinterschäumen und der Teilmontage.

Für verschiedene Fahrzeugtypen des volumenmäßig größten Kunden, Daimler, produziert der Zulieferer die Abdeckungen des Mantelrohrschaltermoduls. Dieses Modul deckt einen Teil der verstellbaren Lenksäule ab und besteht aus der Verbindung von zwei Formteilen und einem handgenähten Ledersack, der die nötige Flexibilität mitbringt. Auch wenn dieses Teil dem unbefangenen Betrachtergeneigten Leser zunächst als eher unwichtig erscheint – zumal man im eingebauten Zustand davon wenig sieht – sind die Anforderungen von Daimler sehr hoch, denn auch bei Extrempositionen des Lenkrads darf nichts von der Mechanik sichtbar werden. „Eine Herausforderung für den Prozess bei uns hieß, diese Abdeckungen für unterschiedliche Fahrzeugtypen auf nur einer Anlage zu produzieren“, erklärt Geschäftsführer Franz Pirzl. Hier war eine flexible Lösung gefragt. Zwar kann man mit einer stationären Ultraschallschweißzelle die Teile zusammenfügen, allerdings bleibt diese Fertigung dann eben auf einen Typ beschränkt. Wegen der zwar ähnlichen, aber doch unterschiedlichen Abdeckungen wurde nach einer robotergestützten Lösung gesucht. Da bereits in der Vergangenheit einige Projekte mit Reis Robotics abgewickelt wurden, beispielsweise automatisierte Laserschneidzellen, Beflockroboter und Flockreinigungszellen, lag es nahe, diese Aufgabe gemeinsam zu lösen. Der Prozess wurde genau definiert und ein Vier-Stationen Drehtisch für eine taktende Fertigung so konzipiert, dass verschiedene Mantelrohrschaltermodule mit geringem Umrüstaufwand gefertigt werden können.

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Eine Anlage für alle Typen

Im Vorfeld fertigt PVT die Spritzgießteile ebenso wie die Ledersäcke. Die Formteile müssen lichtdicht mit dem Ledersack verbunden werden. Dazu hat sich das Ultraschallschweißen als optimales Verfahren herausgestellt. Drei Sechs-Achsen-Roboter des Typs Reis RV 20-16 führen die Aufgaben sukzessive aus. Über eine Reihe von Kunststoff-Domen werden die Säcke im ersten Schritt auf dem Formteil positioniert. In der ersten von drei Stationen des Drehtischs ist der Roboter mit einer Rund-Sonotrode ausgestattet, um diese Dome aufzuschmelzen und zu verschweißen. In den beiden Folgestationen werden die Ledersäcke mit rechteckigen 30-kHz-Sonotroden flächig über eine Riffelung mit den Formteilen verschweißt. Dazu ist der Roboter mit zwei unterschiedlich dimensionierten Sonotroden ausgerüstet, die nach Bedarf eingesetzt werden. Um eine höchstmögliche Genauigkeit und Haltbarkeit der Schweißverbindung sicherzustellen, werden modellspezifische, CAD-gefräste Vorrichtungen eingesetzt, die als Widerlager beim Schweißen dienen. Eine Besonderheit dieser Vorrichtungen, die ebenfalls von Reis angefertigt wurden, ist eine spezielle Oberflächenbehandlung, die Abzeichnungen auf den Bauteilen verhindert und gleichzeitig gegen Verschleiß schützt. Mit der Roboterlösung werden nach Wechsel der Vorrichtung nicht nur Mantelrohrschaltermodule für unterschiedliche Fahrzeugtypen in einer Zelle gefertigt, sie zeichnet sich auch durch weitere Besonderheiten aus. Da der Roboterarm Konturen folgen kann, werden Rahmen und Ledersack auch an den gerundeten Ecken komplett verschweißt. Das ist mit einer stationären Ultraschallschweißanlage kaum möglich. Um die optimale Schweißung sicherzustellen, wird jede Sonotrode beim Schweißvorgang mit Blasluftdüsen gekühlt. Ein weiteres Merkmal ist, dass die Schweißsonotroden auf einer pneumatischen Hubeinheit montiert sind. So stellten die Entwickler sicher, dass während des gesamten Schweißvorgangs der unterschiedlichen Kunststoffe, abhängig von Typ und Material, der richtige Anpressdruck aufgebaut und gehalten wird. In der vierten Station des Drehtischs folgen Einlegen und Entnahme des Werkstücks.

Die Rüstzeiten beim Typwechsel sind gering, denn die unterschiedlichen Vorrichtungen sind als Wechselmodule ausgelegt und verfügen über entsprechende Codierungen, so dass der Roboter deren Wechsel automatisch erkennt und das zugehörige Programm startet. Aktuell werden in der beschriebenen Schweißzelle die Mantelrohrschaltermodule für fünf Mercedes-Typen gefertigt. „Da weitere Varianten mit entsprechenden Stückzahlen hinzukommen, macht es aus Sicht der Fertigung keinen Sinn, noch weitere Vorrichtungen zum Wechseln anzufertigen“, ergänzt Franz Pirzl. „Die vorhandene Zelle ist bereits voll ausgelastet, so dass wir derzeit eine weitere mit Reis projektieren.“

Vergleich mit anderen Lösungen gewonnen

Im Vergleich mit Fertigungslösungen, die jeweils nur ein Produkt herstellen können, sind die Anfangsinvestitionen für eine Roboterlösung höher. Franz Pirzl dazu: „Jede Mono-Lösung hat jedoch genau den Nachteil, dass wir nicht flexibel auf Aufträge reagieren können. Soll ein anderes Teil produziert werden, so muss dies an einer anderen Maschine erfolgen. Das bedeutet nicht nur mehrfache Investitionen, sondern auch mehrfachen Platzbedarf in der Fertigungshalle. Und unabhängig von der höheren Fertigungsqualität und Flexibilität der Roboterlösung ist dann der Kostenvorteil solcher Mono-Lösungen schnell aufgebraucht.“ Trotz der hohen Anlagenflexibilität setzt PVT auf geringste Ausschussquoten: Die Six Sigma Geschäftsphilosophie hat zum Ziel, eine Fehlerquote von nur 3,4 ppm zu erreichen.

„Höchste Flexibilität und Qualität trotz den geforderten Stückzahlen und Modellvarianten unserer Kunden setzen eine entsprechende Produktion und Logistik voraus, denn wir liefern für manche Hersteller auch just-in-sequence“, so Franz Pirzl abschließend. „Je mehr unterschiedliche oder individualisierbare Fahrzeugmodelle die Hersteller anbieten, desto kurzfristiger müssen wir in der Lage sein, unsere Produktion anzupassen. Dabei spielen die Roboter von Reis eine wichtige Rolle, denn damit können wir kurzfristig reagieren, ohne immer wieder neu investieren zu müssen.“ In diesem Zusammenhang hebt Franz Pirzl nicht nur besonders hervor, wie außergewöhnlich gut die Zusammenarbeit mit Reis Robotics ist, sondern auch darauf, wie zuverlässig die Anlagen arbeiten: „Seit der Einführung der Fertigung für das Mantelrohrschaltermodul gab es nicht einen einzigen Ausfall – und das bei einem Drei-Schichtbetrieb.“

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