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Lackiertechnik: Kollege Roboter übernimmt

Lackiertechnik
Kollege Roboter übernimmt

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In der Automobilindustrie sind Lackierprozesse bereits stark automatisiert. Roboter und die Nutzung von Sensordaten für die Analyse von Prozessdaten ebnen hier den Weg zu Industrie 4.0. Solche Ansätze und Lösungen gibt es nun auch für die allgemeine Industrie. ❧ Sabine Koll

„Die flächendeckende Vollautomatisierung der Lackiertechnik in der Automobilindustrie gibt es erst seit 10 bis 15 Jahren – und dies gilt vor allem für die Pkw-Außenhaut“, stellt Dr. Michael Hilt klar, Leiter des Bereichs Oberflächen- und Materialtechnik am Fraunhofer IPA. „Im Nutzfahrzeugbau ist eine Vollautomatisierung noch lange nicht abzusehen. Denn prinzipiell gilt: Je höher die Variantenzahl und die geforderte Flexibilität ist, desto schwieriger ist es, den Lackierprozess zu automatisieren.“ Dennoch ist der Experte überzeugt, dass sich auch die allgemeine Industrie in den kommenden Jahren verstärkt der Automatisierung der Lackierprozesse zuwenden wird: „Neben Vorteilen wie Effizienzgewinn und Arbeitsschutz spricht für die Automatisierung vor allem die Reproduzierbarkeit des Lackierprozesses“, so Hilt. „Eine Maschine oder ein Roboter tragen im Gegensatz zum Mensch immer die gleiche Menge an Lack auf – und dies wird überdies im Idealfall noch automatisch dokumentiert.“ Außerdem sieht er die Automatisierung der Lackierung als Chance, Produktionsprozesse wieder nach Europa und Deutschland zu verlagern.

Auch Dr. Hans Schumacher, CEO von Dürr Systems, sieht großes Potenzial für die Automatisierung in der allgemeinen Industrie: „In diesem Bereich gibt es heute noch viele manuelle Lackierprozesse, da die Automatisierung vielfach noch zu unflexibel ist, um von einem Produkt zum anderen zu wechseln oder weil entsprechende Gesamtstückzahlen fehlen.“

Die Zahl der Anwendungen sei hier sogar deutlich höher als im Automotive-Bereich. Schumacher: „Wir sehen für Lackierroboter ein großes Potenzial, weil die Nachfrage nach Oberflächenbeschichtungen generell steigt – und dies nicht nur wegen des Korrosionsschutzes. Lackierte Oberflächen unterstreichen vielmehr das Design, die Anmutung und Wertigkeit von immer mehr Produkten.“

Von Vorteil sei die automatisierte Lackierung auch unter Energie- und Umweltaspekten: Ressourceneffizientes elektrostatisches Lackieren mit Hochrotationszerstäubern, die ein besseres Zerstäubungsverhalten aufweisen als andere Spritzaggregate, seien nur automatisiert möglich. Die Automobilindustrie macht sich diese Technologie bei der Karosserielackierung schon längst zu eigen. Auch die regulatorischen Umweltschutz-Vorgaben – etwa hinsichtlich flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) – seien damit besser einzuhalten.

Deshalb haben Dürr und Kuka nun erstmals einen Lackierroboter für die allgemeine Industrie ins Programm aufgenommen, der samt Applikation als einsatzbereites System angeboten wird. Dafür haben die beiden Partner den kompakten Sechsachs-Standard-Roboter KR Agilus KR 10 mit 1100 mm Reichweite von Kuka gewählt und diesen leicht modifiziert. Die Lackapplikationstechnik steht zum Start in 14 verschiedenen Ausstattungsvarianten bereit. „Wir zielen mit dem System zunächst auf Anwendungen mit hohen Produktionsvolumina“, betonte Schumacher während der Präsentation. Die Zielgruppe sind sowohl Lohnbeschichter als auch Automobilzulieferer, die Holz- und Möbelindustrie sowie Hersteller von Elektronikbauteilen.

Das System von Kuka und Dürr wird individuell für das Kundenprojekt konfiguriert. Alle Komponenten sind somit aufeinander abgestimmt und werden bei Dürr komplettiert und vorab in Betrieb genommen. Das System steht somit fertig zum Lackieren bereit und kann beim Kunden schnell installiert werden. Mit dem Roboter lassen sich lösemittel- und wasserbasierte Ein- und Zweikomponenten-Lacke auf Holz, Kunststoff, Glas oder Metall auftragen. Pulverlacke sind gegenwärtig noch nicht möglich. Er kann mit abgestimmten Dosierpumpen, Farbdruckreglern und Farbwechslern ausgestattet werden. Die Farbwechseltechnik wird dabei in der Wand der Lackierkabine untergebracht. Ein Farbwechsel dauert nach Auskunft von Schumacher zwischen 30 und 45 s. Zum Vergleich: Ist die Technik wie in der Automobilindustrie im Roboterarm verbaut, dauert der Farbwechsel nur 6 s. Zwischen 300 und 400 solcher Systeme will das Duo im Jahr von dem kompakten System verkaufen. Eventuell werde es später auch ein größeres Modell geben, mit dem sich größere Werkstücke lackieren lassen.

Während die Industrie-4.0-Fähigkeit des neuen Roboters von Dürr und Kuka im Sinne von Cloud-Anbindung etwa für das Condition Monitoring gegeben ist, sind bezüglich Flexibilität und einfacher Anpassbarkeit bei Losgröße-eins-Anwendungen noch weitere Entwicklungsschritte notwendig: „Der Aufwand für das Programmieren und Teachen des Roboters übersteigt bei Kleinststückzahlen heute noch den Effizienzgewinn“, stellt Schumacher klar.

Diese Einschätzung teilen die Experten am Fraunhofer IPA in Stuttgart – sehen eine solche Lösung allerdings in absehbarer Zeit am Horizont. Sie entwickeln nämlich derzeit gemeinsam mit Experten der beiden Fraunhofer-Institute ITWM und FCC und verschiedenen Industriepartnern im Projekt Selfpaint eine vollautomatisierte Lackierzelle, die Objekte selbstständig erfassen, vermessen und lackieren soll – und die damit auch für kleine Produktionsvolumina bis hin zur Losgröße eins geeignet ist. Nutzfahrzeughersteller John Deere nimmt aus diesem Grund am Projekt teil.

Halbzeit beim Forschungsprojekt Selfpaint

Es ist auf drei Jahre ausgelegt und hat derzeit Halbzeit. „Der aktuelle Stand ist: Wir haben alle Einzelmodule getestet – und sie funktionieren. Nun geht es um ihre Integration“, berichtet Projektleiter Dr. Oliver Tiedje. Die einzelnen Module der automatischen Lackierzelle, das sind ein optischer 3D-Scan der zu lackierenden Objekte, eine computergestützte Lackieroptimierung sowie eine berührungslose Schichtdickenmessung. Die vom Fraunhofer ITWM entwickelte 3D-Scan-Technologie erkennt Objekte und deren Teileträger und kann deren Position in der Lackierzelle genau angeben. Auf Basis dieser Information und vom IPA berechneter Eingangsbedingungen kann die vom Fraunhofer FCC in Göteborg programmierte Software eine optimierte Bahnführung sowie Applikationsparameter berechnen. Eine Simulations- und Optimierungssoftware berechnet dabei die Flugbahn der Lacktröpfchen vom Zerstäuber bis zur Abscheidung auf dem Lackierobjekt, woraus eine Schichtdickenverteilung erzeugt wird. „Wir sind damit in der Lage, von einer gegebenen Schichtdicke ausgehend das Roboterprogramm zu berechnen“, so Tiedje. „Würden wir eine Schichtdickenmessung auf dem Objekt durchführen, würde dies zu lange dauern.“

Über intelligente Algorithmen und mittels präziser fluiddynamischer Strömungssimulation können optimierte Lackierbahnen online im Beschichtungsprozess ermittelt werden. Die Pfadoptimierung erfolgt dabei mittels Machine Learning.

Die Schichtdicke des mit der optimierten Bahn lackierten Objekts kann anschließend berührungslos mit einem Schichtdickenmessgerät auf Basis der Terahertz-Technologie vermessen werden, das ebenfalls vom Fraunhofer ITWM entwickelt wurde.

„Das System ist bewusst modular aufgebaut, sodass Unternehmen später die einzelnen Bestandteile nach ihren Bedürfnissen kombinieren können“, erklärt Tiedje. Unternehmen, die etwa über CAD-Modelle ihrer zu lackierenden Bauteile verfügen, benötigen beispielsweise keine 3D-Scan-Technologie. Umgekehrt kann die Bahnplanung für die Lackierprogrammerstellung auch einzeln genutzt werden, um Hochlaufzeiten in der Lackierung zu verkürzen oder Prototypen einzusparen. Automobilhersteller Volvo ist beispielsweise daran interessiert, diese Vorteile von Selfpaint für sich zu nutzen.

Und wie treibt die Automobilindustrie die Automatisierung weiter voran? „Derzeit wird in der Branche sehr viel über die Möglichkeiten von Industrie 4.0 im Sinne der Prozessoptimierung diskutiert“, sagt Tiedje. „Dabei geht es darum, viele Daten im Prozess zu sammeln, zu analysieren und die richtigen Schlüsse daraus zu ziehen. Dabei handelt es sich um Big-Data-Anwendungen.“

Qualität und Gesamtanlageneffektivität steigern

„Mit der entsprechenden Software helfen wir unseren Kunden in Produktion und Instandhaltung dabei, Zusammenhänge verschiedener Parameter und Einflussgrößen automatisiert zu erfassen, um Trends, Störungen und Anomalien im Lackierprozess aufzuspüren. Es geht dabei darum, die produzierte Qualität zu steigern, die Betriebszeit zu optimieren und die Overall Equipment Effectiveness, also die Gesamtanlageneffektivität, zu steigern“, bestätigt Dürr-CEO Schumacher.

Solche Industrie-4.0-Ansätze für den Closed-Loop in der Lackierung seien nicht nur in der Diskussion, sondern bereits in unterschiedlichen Ausprägungen implementiert.

Daneben werden in der Automobilindustrie zunehmend auch Vorprozesse des Lackierens automatisiert wie etwa das Schleifen: Asis hat ein solches robotergestütztes System entwickelt: Herzstück ist ein aktiver Kontaktflansch. Dieses Bauteil stellt den konstanten und exakt definierten Anpressdruck in jeder Lage sicher. Durch die eigenaktive Systemkomponente kann die Anlage spontan kraftdosiert, interaktiv und sicher agieren. Es benötigt lediglich eine Vorgabe des Anpressdrucks und schon wird dieser auf den Schleifer angepasst. Dabei kann das Bauteil auf jedem handelsüblichen Roboter schnell und relativ einfach integriert werden.

„Mit dieser Lösung können wir den Anpressdruck im Vergleich zum vom Werker geführten Werkzeug weitaus exakter regulieren“, verspricht Sebastian Gottwald, Projektleiter bei Asis. „Wir können das zu bearbeitende Bauteil zudem mit unterschiedlichen Anpressdrücken bearbeiten und so beispielsweise in der Fläche die Abtragleistung erhöhen, während an diffizilen Stellen mit der gebotenen Vorsicht und entsprechend niedrigerem Druck gearbeitet wird. Dazu müssen wir nur einmalig den Roboter programmieren.“ Die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt dann beispielsweise mit der vom Unternehmen entwickelten Rob-E-Unit. Dabei handelt es sich um einen elektrischen Schleifer, variabel in Drehzahl und Hub.

Ist ein Bearbeitungsvorgang abgeschlossen, wird das Verbrauchsmaterial ebenfalls automatisiert gewechselt. Der Wechselautomat, bei dem der Roboter in die Station einfährt, das verbrauchte Material festklemmt und altes gegen neues tauscht, fasst genügend Verbrauchsmaterial um einen autonomen Betrieb über viele Stunden hinweg sicherzustellen. Die Wechselzeit liegt dabei unter 15 s. Hilt vom Fraunhofer IPA: „Dies ist ganz klar die höhere Kunst der Automatisierung.“


Der Robi menschelt

Roboter wirken auf mich leicht bedrohlich – etwa wenn ich an die Automobilhersteller denke, bei denen große Roboter Karosserien schweißen oder lackieren. So ganz allmählich bekommen Roboter aber „menschliche“ Züge für mich: Bei Freunden treffe ich auf immer mehr Saugroboter im Haus oder Mähroboter im Garten. Gut so, denn Saugen und Rasenmähen sind nun mal keine sexy oder sinnstiftenden Freizeitaktivitäten, oder?

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