Effizienter entgraten und reinigen

Autor / Redakteur: Werner Meißner und Thomas Isenburg / Josef-Martin Kraus

Parallel ablaufende Prozesse führen zu mehr Energieeffizienz und weniger Zeitverlust. Diese Erkenntnis war die Vorgabe zur Entwicklung eines Anlagenkonzepts, das Hochdruckentgraten mit Roboter und Teilereinigung energetisch und zeitlich effizient kombiniert.

Energie ist eines der zentralen Themen des Jahres 2010. Die Umwandlung fossiler Ressourcen in Energie erzeugt das Treibhausgas Kohlendioxid. Dieses Gas ist höchstwahrscheinlich für den Klimawandel verantwortlich. Die Spuren des industriellen Fortschritts bilden sich in den CO2-Emissionen ab.

Von der Fertigung der Zukunft wird deshalb nicht nur die Verkürzung von Taktzeiten, sondern auch des Energieverbrauchs gefordert. Für künftige Entwicklungen kristallisieren sich also zwei Kriterien heraus: Energie und Zeit.

Flexibler Roboter und getaktete Reinigungstechnik in einer Anlage

An diesen Kriterien hat sich die MTM-Gruppe, Marienheide, bei der Konzeptentwicklung für das Hochdruckentgraten orientiert (Bild 1). Dieses Konzept basiert auf einer Kombination aus flexibler Roboter- und getakteter Reinigungstechnik. Das Ergebnis ist die Anlage Robotakt.

Eine erste Version wurde nun beim chinesischen Zulieferer Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing installiert. Sie besteht aus der Reinigungsanlage Omega und einer Hochdruckentgratstation, in der ein Sechs-Achs-Roboter die Werkstücke an einem Lanzensystem mit Düsen vorbeiführt. Dadurch prallt ein Wasserstrahl mit hohem Druck auf einen Grat, der sich verformt und in Schwingungen gerät, bis er bricht.

Gewünschte Werkstückbewegungen werden vom Roboter ausgeführt

Der Roboter führt dazu die gewünschten Werkstückbewegungen gemäß der Programmierung aus. Ausgerichtet an der Teilegeometrie und dem Grat wird das Werkstück folglich entlang der Hochdruckdüsen geführt. Werkstückbewegung und -positionierung sind dabei bis auf 0,1 mm genau.

Gerade diese Genauigkeit ist wertvoll für das Hochdruckentgraten, damit der Wasserstrahl zielgenau auf den zu entfernenden Grat, trifft. Dagegen ermöglicht die hohe Bewegungsflexibilität des Roboters ein großes Werkstückspektrum abzudecken.

Dieser Vorteil kam erstmals beim US-amerikanischen Automobilhersteller General Motors vor knapp 50 Jahren in Produktionslinien zum Tragen, nachdem Georg Devol einige Jahre zuvor das erste Patent für einen Industrieroboter angemeldet hatte.

Sechs-Achs-Roboter bieten notwendige Flexibillität

Voraussetzung für die hohe Bewegungsflexibilität ist heute die freie Programmierung, die Abläufe aus unterschiedlichsten Bewegungsfolgen und Wegen ermöglicht. Dadurch haben Sechs-Achs-Roboter einen höheren Freiheitsgrad als klassische, kartesische Handlingsysteme. Außerdem werden sie als platzsparende Automationslösung geschätzt.

Diese Vorteile steigern die Arbeitseffizienz. Dazu gehört, dass alle Prozessschritte – Waschen, Hochdruckentgraten, Spülen und Trocknen – zeitgleich ablaufen. Das verkürzt die Taktzeiten im Vergleich zu einer Prozessfolge mit nacheinander ablaufenden Prozessschritten erheblich. Außerdem ist die Ausnutzung der Aggregate bei dieser Anordnung gut gelöst.

Hochdruckpumpen energieeffizient zum Entgraten einsetzen

Eine energetische Betrachtung des Systems zeigt, dass gerade die Hochdruckpumpe eine anspruchsvolle Baugruppe ist. Für eine Standardbearbeitung ist eine Leistungsaufnahme von 75 bis 120 kWh erforderlich.

Um das Leistungspotenzial voll auszuschöpfen, sind diese Hochdruckpumpen ständig im Betrieb. Sie müssen also so integriert sein, dass sie während der gesamten Prozesszeit ihrer Aufgabe – dem Hochdruckentgraten – nachkommen und dafür die zur Verfügung stehende Leistung effektiv nutzen.

Zeitparalleles Waschen und Entgraten möglich

Genau dies wird bei der Anlage Robotakt erreicht. Während zum Beispiel in der ersten Station ein Werkstück im Flutinjektionsverfahren gewaschen wird, läuft parallel dazu in einer zweiten Station das Entgraten mit Roboter, gefolgt von Spülprozessen und der Vakuumtrocknung.

Prozessvariationen sind möglich. Beim Flutinjektionswaschen wird das Werkstück Spritzdrücken um 20 bar ausgesetzt. Beim Hochdruckentgraten beträgt der Wasserstrahldruck bis zu 1000 bar.

Kreisförmige Anordnung von allen Prozessen

Alle Prozesse sind kreisförmig angeordnet – ähnlich der Form des griechischen Buchstabens Omega. Die Werkstücke werden somit auf einer kreisförmigen Bahn durch die Anlage transportiert. Nachdem ein Werkstück bearbeitet wurde, steht jedem Prozessschritt aufgrund des Rundtaktbetriebs direkt das nächste Werkstück zur Verfügung (Bild 2).

Bei einem Ablauf mit nacheinandergeschalteten Prozessschritten entstehen für das Pumpaggregat dagegen wesentlich längere Verlustzeiten, in denen der erzeugte Wasserstrahldruck ungenutzt bleibt. Währenddessen „verpufft“ Energie. Auch die Taktzeiten verlängern sich. Das lässt sich nur mit weiteren Roboterzellen kompensieren.

Wälzkolbenpumpe in der Anlage arbeitet energieeffizient

Im Vergleich dazu nutzt die Anlage Robotakt den energieintensiven Betrieb der Wälzkolbenpumpe effektiv aus. Das heißt: Die Anlage wäscht, entgratet, spült und trocknet eine große Anzahl an Werkstücken pro Zeiteinheit mit optimaler Qualität, zum Beispiel Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, Schaltschieberplatten, Kurbel- und Nockenwellen, Steuergehäuse, ABS-Teile und Getriebeköpfe – auch mit größeren schöpfenden Bereichen.

Somit wird eine weitere Optimierungsstrategie beim Hochdruckentgraten und Reinigen von Werkstücken deutlich: Eine Minimierung der Taktzeit wird durch die zeitgleiche Durchführung der Prozessschritte erreicht.

Werner Meißner ist Geschäftsführer der Meißner Technik Müllenbach GmbH (MTM) in Marienheide. Dr. Thomas Isenburg ist freier Fachjournalist in Bochum