Das Entwirren und die Montage von Federelementen stellt Automatisierung häufig vor komplexe Herausforderungen. Für eine effiziente Produktion von Elektronikgehäusen, inklusive der Montage von Federelementen, entwickelte Kunststofftechnik Schmid einen Robot Vision gesteuerten Montageprozess direkt an der Spritzgussmaschine und setzt dabei auf das chaotische Prinzip.

Das Robot Vision System erkennt die Position und Lage der Federn und sendet die Koordinaten korrekt ausgerichteter Federn an den Roboter zur Abholung. (Bild: Kunststofftechnik Schmid)

Durch die stetige Teuerung der Frachtkosten wird die Montage von Baugruppen und Bauteilen am Standort Deutschland zunehmend gefragter. Dieser Aufgabe stellen sich auch die Ingenieure der Firma Kunststofftechnik Schmid als Full-service-Partner für komplexe Spritzgussformteile aus bis zu vier Komponenten, mit dem zusätzlichen Geschäftsbereich des Sondermaschinenbaus. Das jüngste Full-service-Projekt steht beispielhaft für das abgedeckte Spektrum an Komplexität. Kunststofftechnik Schmid entwickelte hier einen Prozess für die vollautomatische Montage von sieben Metallfedern in mineralverstärkte Kontaktgehäuse, die in Induktionsherdplatten zum Einsatz kommen. Das Bestücken der Formteile erfolgt inline in der bislang größten Maschine des Unternehmens, einer 3200 kN Allrounder 720A von Arburg inklusive Multilift V Handling.

Das in die Maschinensteuerung integrierte Handlingsystem aus dem Hause Arburg entnimmt mit einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von 3000 mm/s nicht nur schnell die Gehäuseteile aus der Form, sondern platziert diese präzise im Wechsel auf zwei linear verfahrbare Werkstückträger. Die Stationen sind konstruktiv so ausgelegt, dass sie nicht nur ihre Kernaufgabe als Werkstückaufnahme erfüllen, sondern durch ein eigens entwickeltes Kühlsystem zur Abkühlung und Verzugsoptimierung dienen. „Das spart nicht nur Platz, sondern ermöglicht uns die effektive Nutzung einer zusätzlichen Nachkühlzeit während dem Bestücken der Bauteile“, beschreibt Michael Beilharz, Leiter des Bereichs Sondermaschinenbau und Entwicklung, die Vorteile der Anlage. „Darüber hinaus prüfen wir in den Werkstückträgern jedes Formteil mithilfe von sieben Messtastern, um die Qualitätsanforderungen unseres Kunden zu erfüllen“, fährt er fort.

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Jedes Gehäuse wird mit sechs Kontaktfedern sowie einer Erdungsfeder bestückt, die sich in ihrer Geometrie unterscheiden. Dabei stellt das Entwirren der als Schüttgut angelieferten Federn, die teilweise stark ineinander verhakt sind, eine besondere Herausforderung dar. Die Federn werden zur Entwirrung zunächst zwei pneumatischen Entwirrsystemen zugeführt, die mit Schüttelbewegung und mechanischen Geometrien eine zufällige Separation der Federknäuel ermöglichen. Danach fallen die vereinzelten Federn über eine spezielle Rutsche, die mithilfe des Federschwerpunktes, die Federn größtenteils lagerichtig, aber chaotisch auf ein transluzentes Förderband verteilen. Ob und wo die Federn lagerichtig auf dem Band gelandet sind, wird von zwei Highspeed Matrix CMOS Kameras der Marke KeyenceE anhand ihrer Silhouette an der durchleuchteten Stelle des Förderbands erfasst. Nicht verwendbare Federn, die noch verhakt sind oder auf dem Kopf liegen, werden über einen Bypass zurückgeführt und durchlaufen den Prozess erneut. Mit den Ergebnissen der Kameraprüfung und zusätzlichen Laserlichtschranken in den Entwirrsystemen, wird die Menge der Federn im Umlaufsystem kontinuierlich ausgewertet und über zwei Bunker bedarfsgerecht neue Federn in das System eingespeist.

Um dieses chaotische System effizient zu nutzen, sind alle Systemteilnehmer einer Siemens SPS der 1500er Reihe mit integrierter Sicherheitssteuerung untergeordnet. Die Kommunikation erfolgt mittels Profisafe. Für eine anwenderfreundliche Bedienung kommt ein 7-Zoll Mobile Panel als HMI zum Einsatz, dass sich darüber hinaus über einen Smartserver ganz bequem per Smartphone und/oder Tablet mobil bedienen lässt. Die Kommunikation der Kameras erfolgt direkt mit zwei Sechs-Achs-Robotern von Kuka über eine Ethernetverbindung. Dabei werden die X- und Y-Koordinaten sowie der Drehwinkel lagerichtiger Federn im Koordinatensystem des Roboters weitergegeben, sodass dieser die Federn von den Förderbändern nehmen kann. Die Federn werden in der Nebenzeit in einem Drehtisch platziert, der gleichzeitig als Zwischenpuffer fungiert. Dieser zusätzliche Zwischenpuffer ermöglicht es, selbst bei Schwankungen der verfügbaren Federn, die aufgrund der chaotischen Natur des Prozesses entstehen, die Anlage dauerhaft und mit konstanter Zykluszeit in Betrieb zu halten sowie darüber hinaus frühzeitig einen aufkommenden Mangel an Federn zu erkennen. „Abseits von längeren Produktionszeiten und damit verbundenen Kosten ist es für die Qualität der Formteile besonders wichtig, das thermische Gleichgewicht der Spritzgussmaschine nicht durch externe Wartezeiten zu stören“, erklärt Stefan Bürkle, der den Bereich Kunststofftechnik bei Schmid leitet. „Das ist der entscheidende Vorteil, den wir durch Eigenregie und -verantwortung der kompletten Konstruktion, Produktion sowie Programmierung und Inbetriebnahme erzielen. Wir können jeden Teil der Anlage jederzeit und kurzfristig auf neue Anforderungen anpassen oder die Behebung von Problemstellen mit einem maximalen Grad an Freiheit angehen“, ergänzt Beilharz. Natürlich kommt auch die Qualität und deren Überwachung im Prozess nicht zu kurz: Neben den taktilen Messtastern an den Werkstückträgern, werden die bestückten Formteile erneut vor der Entnahme aus der Bestückungsstation mit einer am Multilift angebrachten Kamera auf das Vorhandensein der Federn sowie kritische Bereiche überprüft. Die Steuerung der Kamera erfolgt mittels Spritzgussmaschine, die die bestückten Formteile entsprechend dem Kameraergebnis ablegt oder entsorgt. Die Kameraergebnisse werden durch das eingesetzte CAQ-System dokumentiert. Zusätzlich ist das CAQ-System mit dem Arburg-Leitrechner-System gekoppelt, wodurch die Möglichkeit besteht, jeder Fertigungscharge qualitätsrelevante Prozessparameter für eine lückenlose Traceability zuzuordnen.

Speziell für die Produktion der Gehäuseteile entwickelte Kunststofftechnik Schmid gemeinsam mit seinem Partner ein nachhaltiges Verpackungskonzept. „Durch die hohen Mengen der großen Bauteile werden wöchentlich rund 100 Europaletten Fertigware produziert. Um wirtschaftlich und nachhaltig zu agieren, kam eine Einwegverpackung für uns nicht in Frage. Das große Problem bei Mehrwegverpackungen ist das hohe transportierte Luftvolumen, weshalb wir eine faltbare Umlaufkartonage entwickelt haben, die im Rücktransport nur noch 15 Prozent Platz der ursprünglichen Verpackung benötigt“, erläutert Gero Bodamer, der den Bereich Warenwirtschaft und den Einkauf verantwortet.

Platz 7: Dürr mit einem Umsatz von 593 Mio. Euro. Das deutsche Unternehmen entwickelt Robotertechnologien für den automatischen Auftrag von Lack sowie Dicht- und Klebstoffen. (Bild: Dürr AG)

Platz 6: Kuka mit einem Robotik-Umsatz von 1.159 Mio. Euro. Die Robotik-Sparte des Unternehmens baut Roboter für verschiedenste Anwendungen, zum Beispiel auch für die robotische Fertigung in der Architektur, wie im Bild zu sehen. (Bild: Kuka)

Platz 5: Yaskawa mit einem Robotik-Umsatz von 1.277 Mio. Euro. Der Hersteller baut vor allem Roboter, die auf das Schweißen optimiert sind. Jedes Jahr produziert der Konzern 25.000 Roboter. Auf dem Foto zu sehen ist ein Teil des Produktportfolios. (Bild: Nördinger)

Platz 4: Kawasaki mit einem Robotik-Umsatz von 1.358 Mio. Euro. Seit mehr als 50 Jahren entwickelt das Unternehmen Roboter für einen weiten Bereich von Anwendungen: von Robotern fürs Punktschweißen über Handhabungsroboter für Reinräume hin zu Robotern für übergroße Traglasten. (Bild: Kawasaki)

Platz 3: Fanuc mit einem Robotik-Umsatz von 1.749 Mio. Euro. Auf dem Foto zu sehen ist ein Teil der Produktrange im Bereich kollaborierender Roboter. Insgesamt hat Fanuc über 100 Roboter-Modelle im Sortiment. (Bild: Fanuc)

Platz 2: ABB Robotics mit einem Robotik-Umsatz von 5.727 Mio. Euro. Das Unternehmen aus der Schweiz hat bereits über 300.000 Roboter installiert. (Bild: ABB)

Platz 1: Mitsubishi Electric mit einem Robotik-Umsatz von 11.348 Mio. Euro. Die Roboter des Unternehmens sind unter anderem geeignet für Montagearbeiten und Microhandling. (Bild: Mitsubishi Electric)

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