Passgenau

Energieführungen – Mehrere Millionen Arbeitszyklen pro Jahr bei höchster Präzision im Mikrometerbereich und fünf Jahre Wartungsfreiheit. Das müssen Energieführungsketten und Leitungen erst einmal mitmachen.

20. August 2008

Wer schon einen neuen europäischen Reisepass besitzt, der hat ein Produkt in der Brieftasche, das mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Maschine von Häcker Automation in Schwarzhausen in Thüringen hergestellt wurde. Das Unternehmen fertigt spezielle 18-Achsen-Maschinen, die einen hauchdünnen Transponderdraht auf ein Substrat aufbringen. Dieser Draht gewährleistet die Maschinenlesbarkeit des Dokuments. Der Vorgang geschieht vollautomatisch und mit einer Geschwindigkeit von rund fünf Metern in der Sekunde. Wer mit dem neuen oder sogar noch mit dem altem Pass mit dem Auto durch die Lande reist, der verlässt sich, wenn er ein modernes Fahrzeug besitzt, auf eine oder mehrere hochsensible elektronische Komponenten, die ebenfalls auf einer Häcker-Maschine produziert werden: Es handelt sich dabei um eine Vielzahl von Sensoren, die zum Beispiel in elektronischen Brems- und Stabilisierungssystemen (ABS oder ESP) eingesetzt werden und in Maschinen aus Schwarzhausen entstehen.

Kernkompetenz: Montieren, Dosieren, Handhaben im Mikrometerbereich

Die Beispiele zeigen den guten Namen des thüringischen Unternehmens, besonders wenn es um die Montage von anspruchsvollen miniaturisierten Komponenten geht. Zwar gibt es auch Ausnahmen wie zum Beispiel die Montage von Dachfenstern, für die Häcker ebenfalls schon Automatisierungslösungen entwickelt hat, aber die Kernkompetenz des vor elf Jahren von Gerrit Häcker gegründeten Unternehmens liegt eindeutig in der Fertigung für die hochintegrierte Produktion im Mikrometerbereich. Hier erreichen die Maschinen beeindruckende Genauigkeiten. Sie vergießen – unterstützt von einer 3D-Bildverarbeitung mit zwei Kamerasystemen – zuverlässig einzelne Bond-Drähte mit einer Genauigkeit von unter 20 Mikrometern. Diese hohe Präzision wird auch bei der 3D-Montage mit Mikrobauteilen erreicht. Gerrit Häcker: »Wir haben ein Modulsystem entwickelt für die einzelnen Arbeitsschritte wie zum Beispiel Kleben, Dosieren und Bestücken, das wir jeweils individuell kombinieren. Für die Montageprozesse stehen über 35 verschiedene Systeme zur Verfügung.«

Höchste Anforderungen an Qualität und Verfügbarkeit

Dabei gelten höchste Qualitätsanforderungen. Ein ESP-System im Fahrzeug zum Beispiel bezieht Informationen aus zwölf oder vierzehn Sensoren, die mit extrem hoher Zuverlässigkeit arbeiten müssen: Ausfälle darf es im Straßenverkehr nicht geben, denn sie können häufig Verletzte und sogar Tote bedeuten. Die Maschinen, die Häcker für diese Aufgabe baut, produzieren etwa 15 Millionen Sensoren pro Jahr – mit einer Fehlerrate von deutlich unter einem ppm (parts per million). Zugleich erwarten die Kunden eine extrem hohe Verfügbarkeit der Maschinen, die im Dreischichtbetrieb das ganze Jahr über durchlaufen – und sie erwarten Flexibilität: Auch kleine Losgrößen müssen wirtschaftlich und schnell gefertigt werden können, ohne dass die Qualität beeinträchtigt wird. Dazu Geschäftsführer Gerrit Häcker: »Unsere Maschinen müssen auch bei kleinen Losgrößen und häufigem Umrüsten höchste Qualität produzieren.« Um diese Prämisse zu erfüllen, muss das Unternehmen als wichtige Voraussetzung leistungsfähige Zulieferer an seiner Seite haben. Denn die sehr hohen Anforderungen kann es bei den komplexen Maschinen – die 18-Achsen-Maschine für die Reisepassproduktion ist dafür ein gutes Beispiel – nur dann realisieren, wenn es auch bei den Zulieferkomponenten wie beispielsweise den Antrieben nur mit ausgewählten Partnern zusammenarbeitet und absolut hochwertige Komponenten einsetzt.

Energie- und Datenleitungen für Millionen von Bewegungszyklen

Das gilt auch für die Energie- und Datenleitungen, die über die x-, y- und z-Achse zu den Greif-, Montage- oder Dosiereinheiten führen. Denn Häcker verfolgt unter anderem das Entwicklungsziel, die Maschinen fünf Jahre lang wartungsfrei betreiben zu können. Jens Beyer, verantwortlicher Techniker für die Kabelkonfektion bei Häcker Automation: »Unsere Maschinen absolvieren im Einschichtbetrieb fünf bis sieben Millionen Zyklen pro Jahr, im 24-Stunden- Betrieb können es bis zu 20 Millionen sein.« Das bedeutet, dass alle beweglichen Komponenten, auch die Leitungen, im Extremfall für 100 Millionen Bewegungszyklen ohne Wartung oder gar Austausch entwickelt worden sein müssen.

Ein Erfolgsfaktor: Leitungen für höchste Anforderungen

Dieses anspruchsvolle Anforderungsprofil fand Häcker im Leitungsprogramm von Igus verwirklicht, nachdem das Unternehmen zuvor andere Leitungen eingesetzt hatte, die zu Ausfällen neigten und nicht den hohen Ansprüchen genügten. Dass dies bei seinen Leitungen nicht passierte, hat nach Angaben des Kölner Herstellers von Leitungen, Energieführungsketten oder Gleitlagern seinen Grund. Denn die Signal- und Energieleitungen der Chainflex-Serien wurden speziell für den Einsatz in Energieketten entwickelt und zeichnen sich durch extrem lange Lebensdauer bei der Dauerbelastung durch die Bewegungen mit der Energiezuführung aus. Bei ihnen kommen sowohl neue Leiterwerkstoffe als auch spezielle Mantelmaterialien zur Anwendung – mit dem Ergebnis, dass die Leitungen beim Einsatz in Energieketten im Vergleich zu konventionellen Leitungen ein Vielfaches an Standzeit erreichen. Die gefürchteten »Korkenzieher« mit anschließendem Adernbruch werden schon durch den grundsätzlichen Aufbau der Chainflex-Leitungen vermieden – ein Prinzip, das Igus bereits 1989 entdeckt und seitdem stetig weiterentwickelt hat. Ein weiteres konstruktives Detail ist der schützende Mantel, bei dem der Anwender aus sieben verschiedenen Werkstoffen wählen kann. Er ist zwickelfüllend ausgeführt. Bei dieser Herstellungsmethode umhüllt der Mantel nicht einfach die Adern, denn dann würde der nötige Halt für die verseilten Adern fehlen. Vielmehr wird der Mantelwerkstoff auch zwischen die mit Talkum eingepuderte Aderverseilung gespritzt. So ist sichergestellt, dass sich die Aderverseilung durch die Bewegung nicht öffnet, sondern sich wie in einem Kanal geführt hin und her bewegen kann. Diese Details zeigen: In hoch beanspruchten Energieketten sollten Leitungen zum Einsatz kommen, die für diesen Anwendungsfall entwickelt wurden. Häcker verwendet unter anderem Chainflex-Leitungen der Serien CF 2, CF 10, CF 11, CF 27 und CFPE als Schutzleiter. Das Unternehmen sieht sich in der Auswahl bestätigt, denn bislang traten trotz der hohen Anforderungen und der millionenfachen Bewegungen tatsächlich keine Ausfälle auf. Hohe Ansprüche stellt Häcker auch an die Energieführungen, denn diese müssen bei hohen ebenso wie bei niedrigen Geschwindigkeiten reibungsarm und vibrationsfrei laufen. Die Kompaktheit spielt ebenfalls eine Rolle: Die Montageoperationen finden zumeist auf einem Arbeitsfeld von 500 x 500 Millimetern statt, und zur Maxime der Häcker-Konstrukteure gehört es, keinen Bauraum für die Energiekette zu verschenken. In den kompakten Antriebs- und Funktionsmodulen sind teilweise ebenfalls Energieketten integriert.

Vibrationsarme Energiezuführung für die Mikromontage

Das ist ein anspruchsvolles Kriterium für eine Energiekette, die sich bei jeder einzelnen Bewegung mit einem Tempo von bis zu fünf Metern in der Sekunde und einer Beschleunigung bis 40 Metern pro Sekunde2 bewegt. Jens Beyer: »Darüber hinaus stellen wir hohe Anforderungen an das Abriebverhalten der Kette, da unsere Maschinen zumeist im Reinraum arbeiten.« Unter diesen Bedingungen bewähren sich die Energieführungsketten der E6-Baureihe von Igus, die Häcker für die Linearführungen der X-, Y- und Z-Achsen nutzt. Diese Ketten zeichnen sich durch einen sehr ruhigen, vibrationsarmen Lauf aus – eine unabdingbare Voraussetzung in der Mikromontage. Und sie sind laut Igus extrem langlebig.

Bei der Auslegung der Ketten ist Detailarbeit gefragt

Es ist aber nicht nur die Kette an sich, die eine lange Lebensdauer des Energieführungssystems garantiert. Auf diesem Gebiet ist immer auch Detailarbeit gefragt, die Igus und Häcker gemeinsam erledigten. Laut Jens Beyer müssen die Leitungen in der Kette optimal geführt sein – gerade dann, wenn die Kette dicht gepackt ist. »Die Biegeradien sind dabei ebenso zu berücksichtigen wie die Innenaufteilung und eine wirksame Zugentlastung.« Die Leitungen dürfen in der Kette keine Bewegung zeigen, sie dürfen aber auch nicht befestigt werden. Hier ist laut Beyer viel Detail-Engineering notwendig: »Igus hat uns bei allen Prozessen sehr gut unterstützt. « Die Bemühungen zeitigen laut Angaben der Beteiligten bereits Erfolg. Denn auch Energiekettensysteme mit kleinsten Abrollbereichen von nur 50 Millimetern, die zum Beispiel im Bewegungssystem für den Dosierhub zum Einsatz kommen, erreichen die von Häcker geforderten extrem langen Standzeiten. Das ist auch deshalb bemerkenswert, weil die Leitungen und die Energiezuführungen aufgrund der hohen Geschwindigkeiten stark beansprucht werden. Aber die Auslegungsarbeit, die Igus für Häcker geleistet hat, gewährleistet die hohe Verfügbarkeit über lange Zeiträume. Dabei haben die Kölner auch für spezielle Anforderungen in der Praxis überzeugende Problemlösungen entwickelt: Zum Beispiel hat Igus nach aufwendigen Versuchen im eigenen Entwicklungslabor eine energiekettentaugliche PE-Leitung mit 1,5 Quadratmillimeter Querschnitt für die Energiekettensysteme bei Häcker anbieten können.

Kurze Durchlaufzeiten als Voraussetzung

Zur Detailarbeit gehören die Kettenbefestigung, die konstruktiv in das Energieführungssystem integriert wurde, und die Auswahl der Leitungen. Die hohen Anforderungen an die Lebensdauer machen es erforderlich, dass nur getestete Komponenten montiert werden. Das gilt für die Energiekette ebenso wie für die Leitungen, die konfektioniert als Ready Cable von Igus bezogen werden: Dann muss das Montagepersonal in Schwarzhausen nicht die Konfektionierungsarbeit leisten und kann den kompletten Leitungssatz einschließlich Steckverbindungen direkt anschließen. Das spart Zeit, und die zählt bei Häcker: Für den Bau einer Maschine wird nur eine Durchlaufzeit von zehn Tagen veranschlagt.

André Kluth, Igus/mk

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2008