Design + Konstruktion

Universalwerkzeug für die K-Verarbeiter

Lasertechnologie dringt weiter vor beim Verbinden und Trennen
Komplette Laserschweißanlage – flexible Technologie für viele Anwendungen.
Flexibel ist der Laser hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten der Kunststoffverarbeitung. Und die Anwendungen werden noch mehr. Neue Anlagen sorgen für wirtschaftlich und technisch attraktive Anwendungen, beispielsweise beim Schneiden und Schweißen.

Vor allem die Kombination eines unbewegten Lasers mit robotergestützten Bewegungsabläufen verspricht interessante Anwendungen. Derzeit bestehen die meisten Roboterschneidsysteme aus einem Roboter mit CO2-Laser als „Rucksack“. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist die häufig mangelnde Zuverlässigkeit des Lasers aufgrund der dynamischen Einflüsse. Außerdem ist der Roboter wegen des Gewichts des Lasers und dessen Medienversorgung in seiner Leistung deutlich eingeschränkt. Für die Konstrukteure der Jenoptik Automatisierungstechnik war entscheidend, solche Nachteile bei einer modernen Neuentwicklung auszuschalten.

Die neue Lösung weist eine seitliche Befestigung des Roboterarms auf. Damit ist es möglich, den Laser außerhalb des Roboters so aufzustellen, dass der Laserstrahl in das Innere des Roboters gelangt, ohne ihm das Gewicht des Lasers aufzuladen. Das für die Bearbeitung dickwandiger Bauteile notwendige Einkoppeln hoher Laserleistungen in den Roboter ist somit relativ einfach zu realisieren. Zudem war die Verkürzung der Zykluszeiten sowie die Erhöhung von Präzision und Flexibilität Grundvoraussetzung beim Bau eines robotergestützten Laserschneidsystems. Diese Ziele bildeten die Grundlage für die Zusammenarbeit mit Stäubli Robotics. Für beide Kooperationspartner war es wichtig, die Vorteile eines stationären Lasers zu nutzen und die Nachteile bisheriger Konstruktionen zu kompensieren und dadurch die Anwendungsmöglichkeiten der neuartigen Laseranlage deutlich zu erweitern.

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Das Gelenk macht’s

Für dieses Vorhaben genügte zunächst eine einfache Idee: Die Ingenieure integrierten in einem ersten Schritt die vollständige Laserstrahlführung in den Roboterarm des Standardroboters TX90XL. Zusätzlich entwickelten sie justierbare Spiegel, die in die Robotergelenke eingesetzt wurden. Dabei wurde besonders darauf geachtet, dass die Spiegel für eine direkte Wasserkühlung geeignet sind, so dass sie auch hohen Laserleistungen von 100 bis 2500 Watt Stand halten. Ein luftgespülter Strahlengang im Roboterarm verhindert zudem die Verschmutzung der Spiegel durch fliegende Partikel. Das Herzstück des Roboterarms ist jedoch das besondere Design des patentierten Gelenkstücks, eine Kombination aus Getriebe und Motor. Dieses Gelenkstück ermöglicht eine hohe Linearität und realisiert somit die gesteigerte Präzision in der Dynamik des neuen Laserroboters.

Insgesamt ist die Anlage mit Namen Votan C BIM (Beam In Motion) modular aufgebaut. Das soll die individuelle Anpassung an verschiedene Kundenbedürfnisse ermöglichen. Auf einem Drehtisch können Werkstücke an fünf Seiten mit einer Größe von 1000 mal 600 mal 300 Millimeter und an drei Seiten mit einer Größe von 1400 mal 700 mal 500 Millimeter bearbeitet werden. Ein in den Drehtisch integriertes Absaugsystem sorgt zusätzlich für die Ableitung der Abgase an der Austrittstelle.

Die neue Generation der Laserschneidsysteme dient dem sauberen und optisch wie strukturell beschädigungslosen Entfernen von Spritzrändern, beispielsweise an Pkw-Türinnenverkleidungen oder Türbrüstungen, von Folienüberstand bei hinterspritzten Teilen oder zur Herstellung von Ausschnitten aus mittelgroßen Kunststoffteilen. Besonders hervorzuheben ist sehr gute Schnittkantenqualität bei glas- und kohlefaserverstärkten Bauteilen. Der Laser trennt hier sowohl den Kunststoff als auch die Faserbestandteile sauber, so dass keine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Kurz und knapp

Aufgrund des Aufbaus erreicht die Laserbearbeitungszelle besonders kurze Zykluszeiten und ist – gemessen am Bearbeitungsraum – mit einer Standfläche von nur elf Quadratmetern sehr kompakt. Die integrierte Containerlösung macht die Anlage mobil und reduziert die Transportkosten. Für die Inbetriebnahme beim Kunden müssen laut Hersteller lediglich die entsprechenden Medien angeschlossen werden, was den Installationsaufwand deutlich verringert.

Hier bringt also der „unbewegte Laser“ Bewegung in die Szene. Mit vergleichsweise kleinen Robotern wird aufgrund der Entkopplung von Robotik und Laserquelle ein hochleistungsfähiges, dynamisches und toleranzarmes Schneidsystem geschaffen.

Mit Sicherheit schweißen

Ähnliches gilt auch sozusagen für das Gegenteil: Die Schweißtechnik mit dem Laser. Sie hält in verschiedenen Branchen verstärkt Einzug und eröffnet zum Teil neue konstruktive Möglichkeiten für innovative Bauteile, beispielsweise im Fahrzeugbau. Hier hat die Sicherheit hohe Priorität. Gerade bei sicherheitsrelevanten Bauteilen ist eine gleichbleibende Qualität ohne Kompromisse erforderlich. Laserschweißen wird im Automotive-Bereich bereits seit mehr als einem Jahrzehnt eingesetzt, da es gegenüber konventionellen Verfahren eine Reihe von Vorzügen bietet. Lasertechnologie ist äußerst flexibel und für ein breites Materialspektrum anwendbar. Besonderer Vorteil ist außerdem der gezielte, vibrationsfreie Energieeintrag.

Wenn Schusskanäle für Airbagsysteme auf Instrumententafeln geschweißt werden, entscheidet die Qualität der Schweißnaht darüber, ob der Airbag im Ernstfall richtig funktioniert oder nicht. Die Laserschweißanlage Votan W Classic bietet in dieser Anwendung nicht nur besonders feste und hochwertige Schweißnähte, sondern gewährleistet deren Qualität durch genaue Prozessüberwachung.

Im Vergleich zum Ultraschall- und Vibrationsschweißen ist das Laserdurchstrahlschweißen ein materialschonendes Verfahren. Die Anlage arbeitet mit dieser Technologie und ermöglicht daher ein besonders schonendes Aufschweißen von Airbag-Schusskanälen auf Instrumententafelträger. Hierbei wird die Airbag-Sollbruchlinie nicht beschädigt und die Instrumententafel nicht verformt. Die Anlage verfügt über einen robotergeführten Schweißkopf mit einem 210 Watt starken Laser. Nachdem die Instrumententafel von Hand eingelegt und der Schusskanal aufgesetzt wird, fährt der Roboter die Bauteilkontur ab und verschweißt beide Teile miteinander. Im gleichen Maschinenzyklus können zudem zwei weitere Teile geschweißt werden. Auch das spricht für das Laserschweißen mit dieser Anlagentechnik, denn mit konventioneller Schweißtechnik sind für diese Aufgabe mindestens zwei Schweißanlagen notwendig.
Ein im Schweißkopf integrierter Sensor misst die Schmelztemperatur des Kunststoffes exakt und regelt die Laserleistung entsprechend. Diese genaue Prozessüberwachung und dynamische Regelung sorgt für gleichbleibend hohe Qualität und Festigkeit der Schweißnähte – was besonders bei sicherheitsrelevanten Bauteilen in der Automobilbranche von Bedeutung ist.

Die Anlagentechnik überzeugt laut Jenoptik nicht nur durch diese technischen Vorzüge. Niedrige Life-Cycle-Kosten, unter anderem aufgrund des nahezu wartungsfreien Lasers, machen sie darüber hinaus zu einer wirtschaftlichen und effizient arbeitenden Technologie, die auch für kleine Stückzahlen eine Lösung ist.

Die Laserschweißanlage rundet das Produktprogramm ab: Während mit den Anlagen der Produktfamilie Votan A unsichtbare Airbag-Sollbruchstellen erzeugt werden und die C-Systeme dem Randbeschnitt von Instrumententafeln dienen, ist die Variante W Classic der Baureihe besonders geeignet zum Schweißen von Schuss- und Luftkanälen sowie Kunststoffklappenlösungen und Knieairbag-TPE-Platten auf Instrumententafeln.

Rund um die Instrumententafel

Mit den genannten Anlagen stehen Automatisierungslösungen für eine Fülle von Aufgaben rund um die Fertigbearbeitung von Instrumententafeln im Fahrzeugbau zur Verfügung. Doch die Lasertechnologie führt noch einen Schritt weiter: Im Workflow der Hersteller von Fahrzeugteilen ist das Aufschweißen des Schusskanals normalerweise der nächste Schritt nach der Laserperforation der Instrumententafel. Deshalb liegt es nahe, beide Arbeitsschritte in einer Anlage zu vereinen und so manuelle Handlingschritte einzusparen. Die Kombinationsanlage zum Laser-Schweißen und Laser-Perforieren zeigt, das der Laser – und ein innovativer Anlagenbauer – noch Reserven zu bieten haben.

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