Wenn jede Sekunde zählt

Titelgeschichte

Anlagen/Systeme - Im niederländischen Werk Roosendaal der Polytec Group werden Strukturbauteile aus Kunststoff für die neue Mercedes C- und E-Klasse gefertigt und bearbeitet. Laserschneidzellen von Reis schneiden schnell und flexibel jede beliebige Kontur aus den Pressteilen und entgraten diese noch im selben Zyklus ohne Spezialwerkzeuge. Die Entscheidung für die Laserportale mit integrierter Strahlführung fiel aufgrund der Taktzeit, denn diese ist bei einer Produktionsmenge von beispielsweise drei Millionen Motorverkleidungen äußerst gering.

09. Februar 2015

In der aktuellen Version der Mercedes C-Klasse sind auch Teile verbaut, die der Autokäufer kaum wahrnimmt. Dennoch haben diese eine nicht unerhebliche Bedeutung, speziell, wenn es um Fußgängerschutz und Geräuschdämmung geht – die Kunststoffverkleidungen unter dem Fahrzeug.

»Wir bei Polytec Composites haben uns auf die Herstellung von hochwertigen Kunststofflösungen spezialisiert, die zur Verbesserung der Schalldämmung und zur Gewichtseinsparung beitragen«, erklärt Manufacturing Engineer Robbert Backer. »Die entsprechenden Teile von der Reserveradmulde über Spritzwände und Stoßstangen bis hin zu Verkleidungen des Fahrzeugbodens müssen nach der Formgebung durch Pressen mit einhundert bis zweitausendfünfhundert Tonnen Presskraft bearbeitet werden. Um nicht auf teure, schwere Stanzformen angewiesen zu sein, bearbeiten wir beispielsweise die Motorraumverkleidungen der C- und E-Klasse von Mercedes mittels Laser.«

Entscheidend dafür waren neben der Flexibilität die hohe Geschwindigkeit, die sich mit modernen Robotern erreichen lässt, sowie die sehr gute Zusammenarbeit mit Reis und der lokalen Vertretung Exner Ingenieurstechniek. Am Standort Roosendaal verrichten bereits mehrere Laserschneidzellen des Obernburger Unternehmens im Mehrschichtbetrieb zuverlässig ihre Aufgaben.

Polytec Composites setzt bei der Herstellung der Bauteile das sogenannte Sheet-Molding-Compound (SMC)-Verfahren ein. Dabei werden ein harzgetränkter Füllstoff und Glasfasern vollautomatisch gemischt und gepresst. Es entsteht das sogenannte SMC-Halbzeug in Plattenform. Dieses dient nun zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Verbundwerkstoffen mit hoher Stabilität und Energieaufnahmefähigkeit im Endzustand.

Ein Prozess – von weich bis fest

Innerhalb des Pkw-Segments beliefert das Unternehmen hauptsächlich den anspruchsvollen Premiumbereich. Bei diesen Herstellern genießen die hochwertigen Kunststofflösungen, die zur Verbesserung der Schalldämmung sowie zur Gewichtseinsparung beitragen, höchstes Ansehen. Die Sheets aus Polypropylen und ungerichteten Glasfasern werden zunächst in einer beheizten Form (Compression Molding) in die gewünschte Form gepresst. Das Ergebnis ist ein duroplastisches Werkstück, das auch den rauen Alltagsbedingungen mit starken Temperaturschwankungen im Fahrzeug gewachsen ist. Die fertige Motorraumverkleidung muss nach dem Abkühlen jedoch noch weiter bearbeitet werden; das heißt, Fließhilfen ausschneiden, Montagelöcher fertigen und alle Kanten entgraten.

Gäbe es nur eine einzige Ausführung, so wäre eine Presse mit entsprechenden Werkzeugen eine gute Option. Die komplexe Form und die Vielzahl von Varianten – abhängig vom später im Fahrzeug eingebauten Motor – ließen diese bei Polytec Composites jedoch nicht praktikabel erscheinen. Wegen der sehr guten Zusammenarbeit in der Vergangenheit besprachen die Verantwortlichen von Polytec daher das Projekt mit ihrem Systempartner Exner Ingenieurstechniek, ebenfalls mit Sitz in Holland.

»Die leistungsfähigeren Lasersysteme, die heute auf dem Markt verfügbar sind, sowie die guten Erfahrungen mit der Automationstechnik von Reis gaben den Ausschlag für eine Laser-Schneidzelle«, begründet Backer die Investitionsentscheidung. »Schließlich haben wir von den Partnern Exner und Reis die Zusage erhalten, dass die von uns geforderten kurzen Taktzeiten realisierbar seien.«

Die Taktzeit hat oberste Priorität

Warum die Taktzeiten so entscheidend sind, lässt eine Zahl erahnen: drei Millionen Teile. So viele Motorraumverkleidungen werden allein in dieser neuen Zelle bearbeitet, bis Mercedes das Modell wieder wechselt. Apropos Ausschnitte: Ausschnitte bilden nicht nur die Fließhilfen, sondern auch die Durchführungen der Auspuffrohre, je nachdem, ob ein Vierzylinder Reihenmotor (eine Öffnung) oder ein V6 (zwei Öffnungen) eingebaut wird.

»Wenn es um maximale Geschwindigkeit und optimale Nutzung des zur Verfügung stehenden Raums geht, kommt aus unserer Sicht nur ein hochdynamisches Laserportal mit integrierter Strahlführung in Frage«, sagt Bas van Haagen, Vertriebsingenieur bei Exner. »Die Zykluszeiten für die Nachbearbeitung mussten deutlich unter denen der Presse für den Umformvorgang sein. Um es vorweg zu nehmen – wir haben mit dem einzigartigen Reis-Laserportal und durch Optimierungen die komplette Bearbeitung wesentlich verkürzt. Dabei konnten wir die Taktzeit von Laserrobotern in der üblichen, klassischen Knickarm-Ausführung deutlich unterbieten.«

Wie außerordentlich kurz die benötigte Zeit ist, erkennt man, wenn man auf dem außen an der Zelle montierten Monitor die rasanten Bahnbewegungen verfolgt. Die abgekühlte Motorraumverkleidung wird über einen Drehtisch in die Zelle geschwenkt, wobei sie von einer Vorrichtung mittels Unterdrucksaugern in exakter Position gehalten wird. Das Laserportal vom Typ RLP16-CO2 schneidet unter Verwendung eines 1,5-kW-CO2-Lasers in wenigen Sekunden 17 Löcher in die Motorraumverkleidung. Anschließend erfolgt der Ausschnitt der Auspuffdurchführung. Am längsten dauert das Entgraten der gesamten Außenkontur. Dies liegt daran, dass ein kompletter Umlauf (360°) notwendig ist.

Der Laser ist außerhalb der Kabine stationär adaptiert. Durch die im Roboterarm integrierte Strahlführung gibt es keine Störkonturen, und die wassergekühlten Kupferspiegel sind sicher gegen Verunreinigungen geschützt. Lösungen mit externen Spiegelgelenkarmen sind bei Reis nie notwendig gewesen, schließlich kann man seit Jahrzehnten auf die patentierte Strahlführung durch die Mitte der Kopfachsen zurückgreifen.

Jede Sekunde zählt

Lineardirektantriebe in den Hauptachsen des Laserportals ermöglichen die hohen Beschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten sowie stabiles Bahnverhalten. Die Geschwindigkeiten sind wesentlich höher als bei den gebräuchlichen Knickarmroboter-Lösungen.

In der anfangs erreichten Zykluszeit des Portals sahen die Ingenieure von Polytec Composites dennoch weitere Verbesserungsmöglichkeiten. Um die Zustellzeit nochmals zu minimieren, wurde zusammen mit den Entwicklern von Reis die Programmierung dahin gehend geändert, dass die Laserquelle bereits schneidbereit ist, bevor der Drehtisch seine Endposition erreicht hat. Dazu war es notwendig, am Drehtisch zusätzliche Sicherheitsbleche zu installieren, die verhindern, dass Laserlicht gegebenenfalls nach außen dringen kann, bevor der Tisch stillsteht.

Um bei den Schraubenlöchern ein sicheres Herausfallen der Ausschnitte zu garantieren, fährt der Laser pro Loch 1,5-mal den Umfang ab. So bleibt genug Zeit zum An- und Ausschalten des Lasers, ohne den Roboter in seiner Bewegung anhalten zu müssen. Beim Entgraten führt der Roboter die Laseroptik von Reis Lasertec entlang der Außenkontur. Mit dem letzten Millimeter startet der Drehtisch bereits wieder die Drehbewegung, um das nächste Teil einzuschwenken.

Das Fazit von William Engelen, Projektleiter bei Polytec Composites, klingt entsprechend positiv: »Die neue Roboter-Laserschneidzelle von Reis hat die Bearbeitung der Motorraumverkleidung erheblich beschleunigt. So können die hohen Stückzahlen und die geforderte Qualität sicher erreicht werden, die der Fahrzeughersteller Daimler fordert.« Möglich wurde dies durch eine enge Verzahnung bei der Integration aller Systemkomponenten, die Reis als Generalunternehmer erbracht hat. Und Engelen weiter: »Ein schnelles Laser-Portal mit integrierter Strahlführung im Roboterarm sowie die Vernetzung der Drehtischbewegung mit dem Anfahren des leistungsfähigen CO2-Lasers und eine raffinierte, individuelle Programmierung bilden die Basis einer hervorragenden Lösung.«

Integration

Auf ein Wort, Herr Höppe!

Herr Höppe, seit wann befasst man sich in Ihrem Unternehmen mit der Lasertechnologie und mit welchen Ergebnissen?

Die Laserbearbeitung unterschiedlicher Materialien hat bei Reis schon eine lange Tradition; einige der grundlegenden Patente gibt es bereits seit Kuka 1988. Basierend auf diesen ist beispielsweise die Roboterhand der integrierten Strahlführung in mehreren Steps weiterentwickelt worden. Weitere Entwicklungen gab es mit dem Laser-Spy im Bereich der Lasersicherheitstechnik sowie in der Prozessregelung und der Qualitätssicherung. Als Generalauftragnehmer bieten wir Roboter und Portale zum Einsatz von CO2- und fasergeführten Festkörperlasern für nahezu alle Anwendungsfelder. Das beginnt mit einer einfachen Standardzelle und geht bis hin zur vollautomatisierten Produktionslinie.

In welchen Branchen sehen Sie Potenziale für den Einsatz der Lasertechnologie?

Potenziale gibt es in nahezu allen Branchen, von der Automotive-Industry bis hin zu Jop-Shops. Hier liegt der Schwerpunkt im Wesentlichen auf dem Laserschweißen und -schneiden von Metallen, aber auch die Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen wächst überdurchschnittlich. Weitere Laseranwendungen finden sich in der General Industry, wie etwa dem Schienenfahrzeugbau. Mit dem Laser-Hybrid-Schweißen bedienen wir auch den Schwermaschinenbau und den allgemeinen Stahlbau. Ein weiterer Bereich, dem sich Reis verschrieben hat, ist das Laserbeschichten. Mit diesem Verfahren können verschlissene Bauteile, zum Beispiel Turbinenschaufeln, kostengünstig wieder aufgebaut oder aber auch Verschleißschichten aufgebracht werden.

Warum eignen sich Portalroboter oftmals besser zur Lasermaterialbearbeitung als am Boden montierte Knickarmroboter?

Ein kartesisch aufgebautes System ist steifer als ein Knickarmroboter und ermöglicht somit auch höhere Genauigkeiten. Und in der Regel sind mit dem Laser beim Schneiden wie beim Schweißen schnelle Prozessgeschwindigkeiten möglich. Durch die Lineardirektantriebstechnik in unseren Laserportalen können wir die gewünschte hohe Geschwindigkeit und Dynamik realisieren. Die Länge der Linearachsen ist in weiten Bereichen skalierbar und ermöglich somit sowohl die Bearbeitung von kleinen als auch von sehr großen Bauteilen. Auch können großvolumige Bauteile in einer Aufspannung von fünf Seiten bearbeitet werden. Dies ist bei stehenden Knickarmrobotern so nicht möglich. Auf ein Wort, Herr Höppe!

Erschienen in Ausgabe: 01/2015