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Roboter ersetzen chinesische Handarbeit

Verkettete Fertigung von Carbonrohren für Rennräder
Roboter ersetzen chinesische Handarbeit

Der Schweizer Fahrradhersteller BMC produziert Rennräder der Extraklasse. Die Fertigung der Carbonrohre für den Rahmen erfolgt dabei nicht mehr manuell, sondern automatisch mit Hilfe von Robotern. Die Asic Robotics AG konzipierte und realisierte dabei die Automatisierung und Verkettung der einzelnen Prozesse mit fünf Robotern von ABB.

Vor zwölf Jahren übernahm Andy Rihs den Fahrradbauer BMC und richtete die Produktstrategie neu aus. Gezielt investierte er in Entwicklung, Design und Marketing von Rennrädern. Die Fertigung der Carbonrahmen hatte BMC, wie fast der gesamte Wettbewerb, wegen der niedrigeren Lohn- und Fertigungskosten nach China vergeben. Doch die Nachteile wirkten sich teilweise gravierend aus: steigende Abhängigkeit vom chinesischen Hersteller, zunehmendes Risiko des Knowhow-Verlusts und immer wieder Qualitätsprobleme. Der Grund für die Mängel war dabei die ausschließlich manuelle Fertigung der Carbonrahmen.

Die chinesischen Arbeiter müssen für ein Carbonrohr verschiedene harzgetränkte Kohlefasermatten in Formen einlegen und laminieren. Schon geringe Lageabweichungen oder unsauberes Arbeiten führen zu geringerer Festigkeit und Sicherheit. Auch alle Folgeschritte wie das Zuschneiden und Verkleben der Rohre bis zum Schleifen und Lackieren des fertigen Rahmens werden manuell ausgeführt und sind damit potentielle Fehlerquellen zu Lasten einer reproduzierbaren Qualität. Hinzu kommt der ungeheure Zeitaufwand. Allein das manuelle Schleifen eines Rahmens dauert einen ganzen Tag.
Warum, so überlegte Andy Rihs 2005, verarbeitet man in der Fertigung von Fahrradrahmen das Hightech-Material Carbon immer noch mit den Lowtech-Methoden der Vergangenheit? Er suchte nach einer Lösung für die automatisierte Produktion unter definierten Fertigungsbedingungen, die exakt reproduzierbare Produktqualität sichert. Die wettbewerbsfähige Produktion von Hightech-Fahrradrahmen für den Weltmarkt sollte mit modernen Techniken auch in Hochlohnländern wie der Schweiz zu realisieren sein. Rihs etablierte am Standort Grenchen einen neuen Industriestandard zum robotergestützten Bau von Carbonrahmen für Rennräder. Das Konzept richtete er konsequent nach dem Null-Fehler-Prinzip aus. Die Technik-Manager von BMC holten sich Unterstützung bei der 1995 im schweizerischen Burgdorf gegründeten Asic Robotics AG, einem führenden Unternehmen im Bereich Sondermaschinenbau und Robotik. Deren Fertigungspalette umfasst kundenspezifische Anlagen und Maschinen für die Bereiche Montage, Prüfen, Handling und Verpacken. Mit über 170 Mitarbeitern entwickelt Asic Systemlösungen für verschiedene Branchen.
Bis der Prozess reproduzierbare Ergebnisse lieferte, waren vier Jahre Entwicklungsarbeit und rund 40 Mio. Schweizer Franken (rund 33 Mio. Euro) zu investieren. Für BMC lohnte sich der Einsatz. Das Risiko des Knowhow-Abflusses war aus der Welt geschafft und die Entwicklung und Produktion hochwertiger Räder im eigenen Haus wurde effizienter. Unternehmensgründer Andy Rihs zeigt auf, wie mit „Impec“ ein Rennrad entsteht. Der programmatische Name leitet sich aus dem englischen Wort für „einwandfrei“ oder „fehlerlos“ ab.
Beim Bau eines perfekten Rennrades müssen zwei verschiedene Welten verbunden werden: Die Welt des Rennfahrers und die der Rennmaschine. Letztere soll die Energie des Fahrers möglichst vollständig in direkten Vortrieb umwandeln und ihn in allen Fahrsituationen ideal unterstützen. Egal ob auf Asphalt, Kopfsteinpflaster, in steilen Bergstrecken, schnellen Kurven oder beim Sprint auf der Zielgeraden. Das erfordert einen leichten Rahmen, der extrem agil reagiert und gleichzeitig die erforderliche Steifigkeit und Stabilität besitzt. Bei einem optimierten Rahmen sind die einzelnen Rohre selten kreisrund, sondern weisen vielmehr lastspezifische Profile und Wanddicken auf – je nach Aufgabe, die im Rahmenverbund erfüllt werden muss.
Um diese lastspezifischen Komponenten herzustellen und anschließend verbinden zu können, entwickelten die Experten bei BMC neue Fertigungsverfahren. Zwei davon sind das Load Specific Weave (LSW) und das Shell Node Concept (SNC). Das LSW-Verfahren ist ein vollautomatischer Prozess und besteht aus den drei Arbeitsschritten Flechten, Verharzen und Ablängen der Rohre. SNC stellt sicher, dass die Rohrverbindungen an den Knotenpunkten des Rahmens im Betrieb maximale Steifigkeit und Stabilität aufweisen. Dazu werden jeweils zwei spritzgegossene Halbschalen aus einem neu entwickelten Carbon-Compound-Material mit den Knotenpunkten verklebt. Die Innenflächen dieser Halbschalen sind so gestaltet, dass sie nach dem Verkleben einen maximalen Kraftschluss mit den Rohrknoten erzielen.
Den Transport der Werkstücke zwischen den einzelnen Roboter-Stationen übernimmt ein automatisches Transfersystem für Werkstückträger. Für jeden Rohrtyp gibt es eine begleitende Datenplakette, mit der an jeder Arbeitsstation über einen Code-Scanner der Rohrtyp identifiziert wird. Die für den jeweiligen Prozess benötigten Parameter erhält die Arbeitsstation von einem PC oder Server. Zu diesen Daten gehören beispielsweise Flechtparameter, Harzeinspritzmenge, erforderliche Aushärtezeit sowie Parameter zur Drucküberwachung im Silikonkern. Hinzu kommen das Mischungsverhältnis von Harz und Härter und der Druck in der Harz-Härter-Leitung. Nach Abschluss eines jeden Prozesses speichert das System die realen Arbeitswerte der Maschinen für jedes Rohr wieder auf dem Server. Das sichert die lückenlose Rückverfolgbarkeit.
Die Produktion eines Rennrades beginnt bei der Flechtanlage. Bei diesem technischen Novum handelt es sich um ein über 3 m großes Flechtrad. Es ist je nach Rohrtyp mit 98 bis 128 Spulen bestückt, die die Rohre schlauchförmig aus hauchdünnen Carbon-Fäden flechten. Ein weiterer Blickfang dieser Arbeitsstation ist der Roboter IRB 4400 von ABB. Er nimmt den Positivkern des zu fertigenden Rohrs von einem Werkstückträger und positioniert ihn im Zentrum des Flechtrades. Dieser Kern ist das formgebende Element und besteht aus Silikon mit einem glasfaserverstärkten Stabilisierungsdorn. Nach dem Einlesen der Produktionsdaten beginnt das Flechtrad einen nahtlosen Tubus aus Carbonfasern um den Positivkern herum aufzubauen. Über die Vorschubgeschwindigkeit des Positivkerns, die Geschwindigkeit des Flechtrades und die Geometrie des Silikonkerns lässt sich die Ausrichtung der Fasern definieren. Die Wanddicke hängt von der Zahl der Flechtlagen ab. Das variable und hoch präzise Herausziehen des umflochtenen Positivkerns gehört zu den Aufgaben des Roboters. Ist die Carbonstruktur fertig geflochten, kappt eine Diamant-Trennscheibe den Tubus ab und der Roboter hängt ihn inklusive Positivkern zurück in den Werkstückträger, der dann die Verharzungsstation ansteuert.
Die vollautomatische Verharzungsanlage für Composite-Werkstoffe ist nach Angaben von BMC die erste ihrer Art weltweit. In ihrem Zentrum stehen die Negativformen aller Rohre, die für die unterschiedlichen Rahmen erforderlich sind. Das Handling in der Verharzungsanlage übernimmt ein zweiter Roboter vom Typ IRB 4400. Er greift den umflochtenen Positivkern vom Werkstückträger und setzt ihn in die entsprechende Negativform ein. Anschließend schließt die Spritzanlage die Form und injiziert ein spezielles Zwei-Komponenten-Harz durch ein Mischrohr, das im Formboden integriert ist. Das Verfahren basiert auf dem RTM-Prozess (Resin Transfer Molding) und erzeugt unter kontrollierten Bedingungen perfekte Rohre hinsichtlich Steifigkeit und Finish. Das Aushärten des Formteils erfolgt zeitgesteuert in der noch geschlossenen Form. Nach Ablauf der Aushärtezeit öffnet sich die Form, der Roboter entnimmt den Rohling und setzt ihn anschließend in den wartenden Werkstückträger ein.
Der Werkstückträger transportiert den Rohling zur dritten und letzten Station des LSW-Verfahrens, der Vorrichtung zum Ablängen. Zum Schneiden auf Maß legt ein Industrieroboter IRB 2400 das ausgehärtete Rohr in eine Werkzeugaufnahme und entfernt den noch darin befindlichen Positivkern. Anschließend fährt die Werkzeugaufnahme mit dem Rohr in den Schneidraum, wo Diamantsägen die Rohrenden auf 0,1 mm genau abtrennen. Dazu ermittelten und programmierten die BMC-Experten für jede der 36 Rohr-Varianten die Verfahrwege der Sägeachsen. Die fertigen Rohre kommen in ein Zwischenlager, bis ein neuer Produktionsauftrag zur Montage eines Rahmens vorliegt. Erst dann entnimmt ein Mitarbeiter dem Lager die für den spezifischen Rahmen erforderlichen Rohre und Anbauteile und gibt sie in eine so genannte Kit-Box.
Die Produktion der für die Montage benötigten Halbschalen (Shells) für die Knotenpunkte ist ein Prozess, der von der Rohrfertigung unabhängig ist. Die Qualität der Halbschalen hängt dabei stark von deren inneren Gestaltung ab. Sie muss sich so an die Knotengeometrie anfügen, dass beim Verkleben der Shells mit den Rohren ein optimaler Kraftschluss entsteht. Das Material für die Shells ist ein Verbundwerkstoff mit hohem Carbonanteil. Er garantiert später die notwendige Festigkeit. Über Mold-Flow-Analysen haben die BMC-Ingenieure die für den Spritzguss wichtigen Parameter optimiert.
Die Rahmenmontage ist teilautomatisiert. Ein Werker setzt die spritzgegossenen Halbschalen in die entsprechenden Einspannvorrichtungen. Dann appliziert ein weiterer Roboter von Typ IRB 1600 den Zweikomponentenkleber punktgenau auf die dafür vorgesehenen Stellen der Halbschalen. Dazu ist der stählerne Werker mit einem optischen Kontrollsystem ausgestattet. Damit lässt sich die korrekte Positionierung der Halbschalen überprüfen und programmgesteuert die richtige Menge an Composite-Kleber auftragen. Die am Roboterarm angebrachte Kamera überprüft, ob an den vorgesehenen Stellen Kleber vorhanden ist. Das anschließende Positionieren von Halbschalen und Carbonrohren auf der Montageplatte erfolgt manuell. Nach dem Justieren aller Teile fährt der Werker die komplett bestückte Montageplatte in einen Ofen zum Aushärten. Der letzte Schritt betrifft die Lackierung und den Tampondruck. Die Nass-in-Nass-Lackierung der Rahmen erfolgt in einer Lackierkabine. Hier führt ein fünfter Roboter mit der Bezeichnung IRB 580 die Spritzpistole. Das Sechsachs-Modell kann nahezu jede menschliche Arm- und Handbewegung nachvollziehen. Das Aufdrucken der Schriftzüge wie dem BMC-Logo realisiert eine Tampondruckanlage.
Für Andy Rihs ist es von Vorteil, hochwertige Produkte mit viel Engineering-Knowhow wieder in Hochlohnländern wie der Schweiz zu fertigen: „Prozess- und Qualitätskontrolle, Fertigung und Entwicklung sind wieder unter einem Dach. Das bedeutet unmittelbare Rückkopplung und damit kürzere Entwicklungszeiten.“ Und nicht zuletzt bleibe das Knowhow im Haus.
Hans P. Fritsche Fachjournalist in Gernsheim
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 1
Ausgabe
1.2022
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