Spritzgießautomatisierung

Roboter bestückt Werkzeug mit 0,6 Millimeter-Kontakten

Miniaturisierung der Elektrotechnik stellt Automatisierung vor Herausforderungen. Ein wichtiges Ziel der Elektro- und Elektronikindustrie ist die weitere Leistungssteigerung bei geringen Dimensionen der Produkte. Das stellt die Automatisierer ständig vor neue Herausforderungen. Für eine Spritzgießanwendung, das Handling kleiner Einlegeteile zum Umspritzen, wurde eine praxisorientierte Lösung entwickelt.

Zum Umspritzen müssen verschiedene Kontakte in einen Wechselschieber gesetzt werden, darunter Stifte mit einer Länge unter 1 Millimeter. (Bild: Reiter)

Für die Fertigung ist die zunehmende Miniaturisierung von Komponenten generell problematisch, da das Hantieren damit für die Mitarbeiter sehr anstrengend ist, herkömmliche Robotersysteme häufig jedoch „nicht fein genug“ arbeiten, um diese Aufgaben zu übernehmen. Spritzgießer und Werkzeugbauer Reiter hat daher jetzt in Zusammenarbeit mit einem Maschinenbauer eine automatisierte Anlage zur präzisen Werkzeugbestückung entwickelt: Das System ist in der Lage, Kontaktstifte mit nur 0,6 Millimeter Durchmesser zuverlässig zu vereinzeln, zu greifen und mit einer Toleranz von wenigen Mikrometern zu platzieren. Das hat nach Unternehmensangaben einerseits die Arbeiter entlastet, andererseits das Risiko für Verluste der winzigen Präzisionsdrehteile deutlich reduziert.

Im Bereich Medizintechnik produziert Reiter bereits seit längerem ein diffiziles Teil aus Thermoplast mit umspritzten Kontakten. Wechselschieber mit zwei Spritznestern müssen dafür mit jeweils vier Metallkomponenten bestückt werden. Die Dimensionen verlangten dem Bedienpersonal jedoch hohe Konzentration ab: Die gedrehten und beschichteten Teile sind nur 1,65 Millimeter lang und weisen einen Durchmesser von lediglich 0,4 Millimeter, am Kopfstück 0,6 Millimeter auf. Sie von Hand in die vorgesehenen Werkzeugaussparungen einzusetzen, die unter 0,01 Millimeter Spielraum bieten, bedeutete eine große Herausforderung für gleichbleibende Produktqualität. „Hinzu kommt, dass die Arbeit insgesamt eher monoton ist, was es schwer macht, konzentriert zu bleiben“, berichtet Hans Kolb, Prozessingenieur bei der Geiger-Gruppe, zu der auch Reiter gehört. Ein weiterer Nachteil des manuellen Einlegeverfahrens ist, dass es immer wieder zu Abschabungen der Beschichtung kommt, was die Teile unbrauchbar macht.

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Ein speziell entwickeltes Robotersystem kann die Kontaktstifte trotz ihrer geringen Dimensionen erfassen und präzise einsetzen kann. (Bild: Reiter)

Nachdem die benötigten Stückzahlen in diesem Bereich stetig stiegen, entschied sich das Spritzießunternehmen daher, diesen Prozess teilweise zu automatisieren. Eine geeignete Lösung dafür zu finden, erwies sich allerdings – trotz des allgemeinen, branchenübergreifenden Automatisierungstrends – als schwierig, wie der Techniker feststellen musste: „Wir präsentierten verschiedenen Anbietern unsere Anforderungen, aber die meisten trauten ihrer Technik ein so feinmotorisch anspruchsvolles Handling nicht zu. Ein paar sahen sich zumindest die aktuellen Abläufe in der Fertigung an – und sagten dann ab.“ Nach einem erfolgreichen Testlauf der grundlegenden Technologie mit dem einzig verbliebenen Maschinenbauunternehmen, das eine Lösungsmöglichkeit angeboten hatte, der laut Kolb „nötig war, weil wir selbst kaum noch glaubten, dass die Aufgabe überhaupt lösbar war“, begann die Konzeption der konkreten Anlage.

Vibration, Vakuum und individuelle
Erste Hürde war die Vereinzelung der Kontaktstifte, um sie später gezielt greifen zu können. das übernimmt ein Vibrationsfördertopf mit umlaufender Rinne. Ein Vakuumsauger nimmt den jeweils vordersten Kontakt in der Reihe auf und positioniert ihn zur Übergabe an den Robotergreifer. Er nimmt den Stift, ohne ihn zu beschädigen und bringt ihn zum Wechselschieber.

Ein Vibrationsfördertopf vereinzelt die Stifte und führt sie dem Roboter zu. (Bild: Reiter)

Beim tatsächlichen Bestücken war mit dem genauen Einbringen in die Werkzeugbohrung eine weitere Herausforderung zu bewältigen. Dazu wird der Schieber, ähnlich wie in der Spritzgießmaschine, zunächst mit Hilfe von Kurzhubzylindern in der Roboterzelle zentriert und dann geklemmt, um ein Verrutschen auszuschließen. Darüber hinaus ist jeder dieser Träger individuell kodiert, so dass er vom System identifiziert werden kann. „Das ist notwendig, weil nicht alle Werkzeugschieber und die Bohrungen exakt im 0,001 Millimeter-Toleranzbereich hergestellt werden können. Damit der Roboter die entsprechenden Löcher findet, wird er daher auf jeden Schieber eigens eingelernt“, so der Prozessingenieur. Dadurch kann der Stift sofort richtig positioniert, eingeführt und nachgeschoben werden.

Komplexe Prozesse laufen einfach und autonom
Der gesamte Vorgang dauert für die vier Kontaktstifte pro Schieber nur wenige Sekunden. Der voll bestückte Wechselschieber wird nach einer Sichtprüfung in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und das Umspritzen gestartet, während aus dem vorhergegangenen Schieber die fertigen Teile entnommen und geprüft werden. Der nun leere Träger wird danach zum erneuten Bestücken wieder in die Roboterzelle geschoben, so dass sich ein nahtloser Kreislauf ergibt. Zudem erledigt die Anlage dieselbe Aufgabe zeitlich versetzt für eine weitere Anlage auf der anderen Seite der Maschine.

Ein Vakuum-Sauger saugt jeweils einen Stift an und positioniert ihn so, dass ihn der feinmotorische Greifer aufnehmen kann. Die Gefahr von Verlusten durch herunterfallende Kontakte ist so minimiert. (Bild: Reiter)

Da alle komplexen Prozesse im System programmiert sind und autonom ablaufen, fiel es dem Personal bei Reiter leicht, sich an die Zusammenarbeit mit dem neuen Roboterkollegen zu gewöhnen. Alle Komponenten wie Sensoren, Aktoren und Controller kommen über Profibus und gewährleisten, dass der Roboter den definierten Bewegungsschritten folgt. Der Prozess wird direkt vom Einlegen oder Entnehmen der Schieber gesteuert: Ein grünes Licht zeigt an, dass ein Schieber auf einer Seite fertig bestückt ist. Der entsprechende Werker kann ihn dann durch eine kleine Schiebetür in der Sicherheitseinhausung des Roboters entnehmen und einen leeren einsetzen.

Der Roboter-Arm ist derweil auf der anderen Seite mit einem weiteren Schieber beschäftigt, wodurch sichergestellt ist, dass keine Kollisions- oder Verletzungsgefahr an dem offenen Türchen besteht. Wird der Zugang ohne Freigabe durch das grüne Lichtsignal geöffnet, stoppt der Roboter und fährt erst nach dem Schließen der Tür mit seiner unterbrochenen Tätigkeit fort. Gleiches gilt, wenn die große Fronttür geöffnet wird, etwa zum Nachfüllen von Stiften in den Fördertopf. Zusätzlich verfügt die mit 1000 x 800 x 2000 Millimeter sehr kompakte Anlage über ein Steuerpanel, das jedoch – abgesehen vom Ablesen der aktuellen Betriebsdaten – im Alltag kaum benötigt wird.

Der Roboterarm mit Greifer bestückt einen Schieber innerhalb weniger Sekunden, bevor er den Vorgang auf der anderen Maschinenseite wiederholt. (Bild: Reiter)

Bessere Ergonomie und Prozessqualität
Der Bestückungsroboter bewähre sich inzwischen seit etwas über einem Jahr in der Fertigung bei Reiter in Hilpoltstein. „Die Durchsatzmenge bewegt sich in etwa im Bereich, den wir früher auch mit einer vollständig manuellen Bestückung erreichten“, berichtet Kolb. „Viel wichtiger ist aber, dass sich die Ergonomie für die Mitarbeiter stark verbessert hat, weil das anstrengende Hantieren mit den extrem kleinen Einlegeteilen weggefallen ist. Ein weiterer positiver Effekt ist zudem die höhere Bestückungsqualität, was sich in einer niedrigeren Fehlerquote niederschlägt.“ Aufgrund dieser guten Erfahrungen sei eine Ausweitung des Einsatzspektrums durchaus denkbar. Die Anlage ist dazu vorbereitet: Sie wurde schon bei der Konzeption so großzügig ausgelegt, dass sie Platz für noch zwei Schieberzuführungen bietet.

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