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Autolack in „heißen“ Farben

Wirtschaftlicher RFID-Einsatz in schwierigen Umgebungen
Autolack in „heißen“ Farben

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Für die richtige Farbe im Lackierprozess jeder Autoproduktion sorgt die automatische und sichere Radio-Frequency-Identifikation (RFID) der Karosse. Höhere Flexibilität und reduzierte Taktzeiten in den Fertigungslinien verlangen zuverlässige Systeme wie etwa die neue Generation hitzefester UHF-Labels.

RFID ist für die meisten Fertigungsplaner bei Automobilherstellern und Zulieferern seit über 25 Jahren ein Hilfsmittel. Nicht ohne Grund, denn die RFID-Systeme gelten als besonders wartungsarm und erlauben flexible, dezentrale Steuerungskonzepte. Doch Anforderungen aus der Industrie werden immer höher und kann nur von speziell entwickelter RFID zuverlässig erfüllt werden, beispielsweise in Lackierstraßen. Sicherlich auch deswegen, weil dort „im Lack“ die schwierigen Arbeitsbedingungen eine automatisierte Prozesskette erforderlich machen. Nahtlose Schnittstellen zur Steuerungsebene sorgen für die echtzeitfähige Verarbeitung der Daten und eine immer aktuelle Transparenz von dem, was – auch bei rauer Umgebung – „vor Ort“ geschieht. Dazu gehört heute auch die automatische, permanent aktive Diagnose von wichtigen Betriebsparametern.

In Lackierstraßen kommen jedoch noch einige zusätzliche Anforderungen an ein RFID-System hinzu: Hohe Temperaturen, fettlösende Reinigungsmittel, bedeckende Lacke und die strikte Verwendung von Lackvertraglichen (silikonfreien) Werkstoffen sind nur einige der besonderen Erfordernisse. Um Schäden an der RFID-Elektronik zu vermeiden, müssen die Transponder „dicht“ sein. Das heißt, dass Feuchtigkeit oder noch schlimmer – aggressive Substanzen – auf keinen Fall eindringen dürfen. Diese Eigenschaft muss auch bei unterschiedlichen Druckverhältnissen gewährleistet sein. Auch ist eine ATEX-Zulassung eine Produkteigenschaft für elektrische Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden.
Bei den technischen Daten von hitzebeständigen Transpondern steht schon immer die Temperaturbeständigkeit im Fokus, denn diese begleiten die Karosserie durch den gesamten Lackierprozess. Hier werden in den Trocknungsöfen Temperaturen von 200 °C und darüber angetroffen. Zudem wird dieser Trocknungsprozess pro Lackschicht einmal durchlaufen und normalerweise hat jedes Auto drei und mehr Lackschichten. Besonders kritisch erweist sich hierbei nicht die maximale Umgebungstemperatur, denn in den heißesten Bereichen muss der RFID-Transponder ja auch nicht funktionieren, sondern der Temperaturzyklus von normaler Raumtemperatur hoch bis über 200 °C und wieder zurück. Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialen wird der Transponder auf das Stärkste beansprucht. Schon früh versuchte man die damals noch relativ aufwendige Elektronik komplett zu schützen, indem diese gegen die einwirkende Hitze isoliert wurde. Die effektive Innentemperatur wurde auf maximal 100 °C reduziert. Das ist natürlich nur planbar, wenn die maximale Umgebungstemperatur und die Verweilzeit vorgegeben sind. Die Folge waren große Gehäuse und Isolationskonstruktionen, die natürlich den Preis solcher Transponder in die Höhe trieben. Dafür sind solche Transponder auf Grund der geringeren Temperaturbelastung in der Lage, mehr als zehntausend Lackiervorgänge zu überstehen und dabei dennoch zuverlässig zu funktionieren.
Da solche Transponder ständig wiederkehrend genutzt werden müssen, wurden sie üblicherweise – zur Vermeidung von Umrüstungskosten – nicht direkt an der Karosserie, sondern am Karosserietransportmittel, wie zum Beispiel am Skid oder an der EHB-Vorrichtung befestigt. Dennoch waren in bestimmten Zeitintervallen Reinigungs- und Wartungsmaßnahmen notwendig, was als Kostenfaktor natürlich hinzukommt.
Nachdem seit den neunziger Jahren die ganze RFID-Elektronik des Transponders in einem einzigen IC-Chip integriert wurde, gab es einen neuen Ansatz: Man baute den Chip plus Antenne in ein mechanisch robustes Gehäuse mit der notwendigen Beständigkeit gegen Reinigungschemikalien und sparte sich die Thermoisolierung. Nun bekam der Elektronik-Chip zwar bis zu 220 °C ab, was beim Löten auch passiert, aber funktionieren muss er ja bei dieser Temperatur nicht. Gleichwohl zeigte es sich, dass dieser doppelt so große Temperaturhub Folgen auf die Lebensdauer des Transponders hat. Dafür wurden die Anschaffungskosten um bis zu 80 % reduziert.
Eine echte Alternative könnte der hitzebeständige „Einweg“-Transponder darstellen. Das heißt, man reduziert die Lebensdauer auf einen einmaligen Lackierdurchlauf und senkt die Kosten in den Euro-Bereich. Zudem könnte dann der Transponder direkt an der Karosserie befestigt werden und im Rohbau – dem Lackierbereich vorgelagert – bereits mitverwendet werden. Vorbild war das RFID-Etikett für die Logistikprozesse; einfach draufgeklebt, funktioniert es, so lange es erforderlich ist, und hat dann ausgedient. Das einzige, was nun noch für die Nutzung solcher Etiketten im Lackierprozess zu lösen war, ist die erforderliche Robustheit: Die Chemikalienbeständigkeit und der Temperaturhub von 200 °C müssen gewährleistet sein, wenn auch nur für eine beschränkte Nutzungsdauer. Und nicht zu vergessen: der Preis muss zur Kalkulation passen.
Mit dem Einsatz von Transpondern, die im UHF-Frequenzband arbeiten, sind die RFID-Chips bei großen Stückzahlen bereits sehr günstig geworden, und auch die notwendige Antenne kann kostenminimiert gefertigt werden. Der Transponder bleibt flach und damit im Einsatz flexibel. Zudem bekommt man bei UHF-Systemen eine ausreichend große Identifikationsreichweite, um den Transponder an direkt an der Karosserie befestigen zu können. So kann der Transponder selbst dann sicher erkannt werden, wenn die RFID-Lesegeräte nicht im unmittelbaren Arbeitsbereich positioniert werden können. Es muss jedoch bedacht werden, dass die Transponder-Antenne nur funktioniert, wenn sie genügend Abstand zu elektrisch leitenden Materialien hat. Ein direktes Aufbringen des Transponders auf Metalloberflächen ist nicht zulässig. Siemens Industry bietet beispielsweise mit seinem hitzebeständigen UHF-Etikett Simatic RF680L und den Lesegeräten der Simatic-RF600-Reihe die Lösung für moderne Lackierstraßen: robust, kostengünstig und flexibel anbringbar. Kurz gesagt, die Transponder-Anbringung und die benötigte Identifikationsdistanz entscheiden über die bestgeeigneten Komponenten. Letztendlich wird jedoch die Gegenüberstellung von Investitions- und Betriebskosten entscheiden, für welche Lösung sich der Anwender entscheiden wird.
Abgesehen von den klassischen Einsatzfeldern von hitzebeständigen Transpondern in der Karosserielackierung bieten sich weitere interessante Einsatzmöglichkeiten im Umfeld Automobil, wie bei der Außenspiegel- und Stoßfängerlackierung. Zudem eignet sich diese RFID-Technik auch für neue Identifikationsaufgaben in Produktionslinien von hochwertigen Kunststoffteilen und bei Bearbeitungsprozessen von Verbundwerkstoffen.
Klaus Müller, Marcus Bliesze , Siemens, Nürnberg
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