Automation in der Elastomerfertigung

Das Gelingen einer automatisierten Produktion von Formteilen aus elastischen Werkstoffen ist in höherem Maß vom „Gewusst-wie“ bestimmt, als bei den formstabileren Kunststoffen. Vor allem, weil Gummiformteile aus heißen Formen zu entnehmen sind, dabei bisweilen zum Haften in den Formkavitäten neigen, oder weil Formteile prozessbedingt auch Austriebsgrate haben können, die ebenfalls entformt werden müssen. Und nicht zuletzt, weil Gummiteile wegen ihrer flexiblen und daher ausweichenden Strukturen nur mit dem bereits erwähnten „Gewusst-wie“ greif- und handhabbar sind. All diese Gründe standen bisher einer breiten Automatisierung in der Teileproduktion im Weg. In erster Linie, weil die Entwicklung einer automatisierten Greiftechnik Vorabinvestitionen in den Aufbau von Handhabungs-Know-how erfordert. Deshalb blieb, von Ausnahmefällen abgesehen, das menschliche Handhabungsgeschick die Option erster Wahl. Die Anforderung von Gummiverarbeitern nach hoher Produktqualität und niedrigen Preisen sind vor allem auf Dauer durch menschliche Arbeit nur schwer bis kaum erzielbar und sorgten für einen Schub in Richtung automa-tisierter Maschinenbedienung. Aber auch der aktuell in allen Industrieländern deutlich zunehmende Arbeitskräftemangel verstärkt diesen Trend. Die Gummiverarbeitung macht dabei keine Ausnahme. Sie steht wegen der fordernden Arbeitsbedingungen mit zahlreichen anderen Branchen im Wettbewerb um Arbeitskräfte. Es ist einfach nicht jedermanns Sache, acht Stunden lang heiße, schwer zu fassende Formteile aus einem ebenso heißen Formwerkzeug zu entnehmen. Maplan hat den verstärkt wahrnehmbaren Trend zur Automatisierung aufgenommen und seither zur Entwicklungspriorität erklärt. Das Ergebnis ist ein umfangreicher Pool an Anwendungs-Know-how und ein Technikbaukasten aus einzelnen Manipulationsmodulen wie Roboter, Greifer-, Teiletransport- und Vereinzelungssysteme, Nachbearbeitungsstationen, die zur „MAP-Autocell“ zusammengefasst sind. Darüber hinaus steht hinter der Autocell eine stetig wachsende Projektabteilung, die mit jedem Elastomerverarbeiter die für ihn maßgeschneiderte Automatisierungslösung erarbeitet und anschließend umsetzt.

Die „Autocell“ ist keine Fahrgastzelle eines Automobils. Der Produktname „Autocell“ ist die Kombination aus „Automation“ und „Produktionszelle“. Sie ist Teil der Maplan 360° Systemlösungen zum Herstellen von Spritzgussteilen aus Gummi und elastomeren Kunststoffen. Deren spezifische Eigenschaften sind für viele Produkte essentiell – weit über die Automobilindustrie hinaus. Viele Teile werden in hohen Stückzahlen produziert. An die Produktionstechnik werden besonders hohe Anforderungen gestellt, da enge Toleranzen und Langzeitqualität auf hohem Niveau gefordert sind. Genau das bietet dieses modulare Konzept.

Die vielleicht wesentlichste Neuerung innerhalb dieses Technikbaukastens ist das Maplan-Gleichsteuerungskonzept. Es sieht vor, dass für die Spritzgießmaschine und die Automatisierungszelle grundsätzlich die gleiche Hard- und Softwarebasis verwendet wird. Dies ermöglicht dem Maschineneinrichter auf dem Bediendisplay zwischen der Maschine und der Zelle umzuschalten. Er kann somit von einem Punkt aus beide Anlagenteile einstellen und dabei die Funktionen zentral im Blick behalten. Eine spezifische Codefarbe auf der jeweiligen Bildschirmmaske erleichtert die Orientierung in den spezifischen Bedienwelten, deren Bedienlogik identisch ist (Bild 1). Durch dieses Konzept wird das Gesamtsystem deutlich vereinfacht, da keine Schnittstellen zu Fremdsteuerungen erforderlich sind und somit Kompatibilitätsprobleme entfallen. Bei größeren Automationszellen, die vom Maschinenbedienpunkt aus unübersichtlich sind, besteht die Möglichkeit eines zusätzlichen Bedienterminals, das direkt an der Zelle angebracht werden kann. Dieses Zweitterminal bietet ebenfalls die Möglichkeit, zwischen der Bedienoberfläche der Maschinensteuerung und dem User Interface der Automatisierung umzuschalten. Somit ist eine Einsicht- und Bedienbarkeit von jedem Anlagenpunkt aus jederzeit möglich. Wie bei Spritzgießmaschinen üblich, besteht auch bei dieser Steuerung die Möglichkeit, bei Schwierigkeiten oder zum Unterstützen mittels Fernwartung einzugreifen und vollen Lösungs-Support zu gewährleisten. Insgesamt ist die Kapazität der Steuerung so bemessen, dass sie nicht nur eine, sondern bis zu sechs Maschinen des Herstellers inklusive Peripherieeinheiten, beziehungsweise auch Fremdmaschinen über entsprechende Schnittstellen zu einer Produktionsanlage zusammenfassen kann. Ein weiteres wesentliches Feature der Steuerung ist das Überwachen der Sicherheits-Interlocks zwischen allen Automationsmodulen, vom Roboter bis zur Schutzumhausung inklusive sämtlicher Sicherheitsbeziehungen zur Maschine. Dabei liegt die Funktionalität der Kommunikation zwischen Maschine und Peripherie über dem Euromap-Standard. Die konkrete Sicherheitsarchitektur wird von den Sicherheitsingenieuren des Maschinenbauers für jedes Projekt nach Schutznotwendigkeiten und Vorschriftenlage individuell mit dem Anlagenbetreiber und mit den zuständigen Zertifizierungsstellen abgestimmt.

Zentrale Automatisierungsmodule des Autocell-Konzepts sind die Linearachsen-Handlinggeräte MAP-Mate und Dreharm-Industrieroboter MAP-Mate Scara. Sie wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Roboterhersteller Stäubli, Bayreuth, auf die Erfordernisse der Gummiteile-Manipulation abgestimmt. Die MAP-Mate 6-Achs-Roboter stehen in sechs Baugrößen mit Reichweiten von 500 bis 2.500 mm und Tragkräften von 2 bis 130 kg zur Verfügung. Die MAP.mate Scara 4-Achs-Pick & Place-Roboter in 4 Baugrößen mit Reichweiten zwischen 460 und 1.000 mm und Tragkräften bis 8,4 kg. Das für die Integration in die Maplan-Automatisierungszellen wichtigste technische Merkmal aller Roboter ist das Vorhandensein einer auf die Autocell-Steuerung vorkonfigurierten Schnittstelle für den Datenaustausch. Dies erspart Entwicklungszeiten und verkürzt die Projektlaufzeiten deutlich (Bild 2). Die Programmierung der Roboter kann sogar direkt über die MAP-Commander CC erfolgen. Nach dem Einlernen sämtlicher Roboterbewegungen im Rahmen der Erstinbetriebnahme können alle Roboter Einzelbewegungen bequem über die Autocell-Steuerung ausgewählt werden. Der Bediener der Anlage braucht somit nicht zwingend den Umgang mit der Stäubli Roboter Steuerung erlernen. Dies ergibt maßgebliche Vorteile im Bereich der Schulung verschiedener Mitarbeiter auf komplexen Produktionszellen. Um nun von der Theorie in die Praxis zu kommen und die Bandbreite der Autocell-Möglichkeiten darzustellen, werden zwei realisierte Projekte beschrieben.

Die Aufgabenstellung sah vor, zylindrische Metall-/Gummi-Verbundteile in großen Stückzahlen und mehreren Durchmesservarianten automatisch zu produzieren. Dafür ausgewählt wurde eine von unten schließende Maplan Ergo+ 160-Vertikalmaschine mit 700 cm³ Fifo Spritzeinheit in Kombination mit einem Multikavitäten-ITM (Injection-Transfer-Molding)-Werkzeug. Vorgabe war, die einseitig mit Primer beschichteten Metallteile automatisch lagerichtig zu sortieren und anschließend mittels Pick & Place-Handling im Kavitätenmuster in eine Aufnahmeplatte zu positionieren. Von dort sollten sie in einem Hub aufgenommen und in das Spritzgießwerkzeug eingelegt werden. Möglichst parallel dazu galt es die Fertigteile ebenso automatisch zu entnehmen, danach optisch zu vermessen und abhängig vom Messergebnis unterschiedlich abzulegen.

Der Ablauf wurde wie folgt umgesetzt: Die mittels Primer beschichteten Einzelteile werden aus dem Schüttgutbehälter über einen Flexfeeder vereinzelt und durch den Scara-Roboter für die Weitergabe lagerichtig positioniert. Die nachfolgende Bereitstellungsstation für Einlegeteile besteht aus einer 180 Grad drehbaren Aufnahmeplatte mit einem werkzeugkonformen Kavitätenmuster. Diese wird vom Scara-Roboter bestückt, nachdem er die Metallteile von der Zuführlinie übernommen hat. Anschließend dreht die Aufnahmeplatte und übergibt alle Einlegeteile an das Linearhandling. Dieses ist mit 3-Ebenen-Greifer ausgestattet, da eine simultane Übergabe der Einlegeteile an das Spritzgießwerkzeug, sowie die Entnahme der Fertigteile und Angüsse gefordert war. Die Fertigteile werden mit dem Scara-Roboter von der Ablageposition auf eine Förderstrecke übergeben. Auf dieser werden sie einer optischen Messstation zugeführt, wo sie mit Pick&Place-Manipulatoren zur 100%igen Nachkontrolle durch ein Vision-System auf eine Drehplatte umgesetzt werden. Abhängig vom Messergebnis erfolgt anschließend die Separation in Gut-, Schlecht- oder Kontrollteile. Während des gesamten Prozessablaufs besteht die Möglichkeit zur Einzelüberwachung aller Bauteile, wodurch Fehler und Schäden umgehend erkannt werden. Außerdem können optional einzelne Kavitäten auf der Maschine beziehungsweise im Spritzgießwerkzeug bei Funktions- oder Qualitätsproblemen stillgelegt werden. Die Rüstteile sind alle codiert und werden überwacht. Damit wird sichergestellt, dass beim Umstellen auf andere Größenvarianten eine Absicherung gegen Falschbelegungen gegeben ist. Weiterhin ist auf der Maschinen- und der Automatisierungssteuerung eine gemeinsame Rezeptverwaltung eingerichtet, mit der die Einstelldaten synchronisiert sind.

Der Ausgangspunkt des zweiten Anwendungsbeispiels ist eine von unten schließende Vertikalmaschine vom Typ Maplan Ergo+ 400 mit 2.600 cm³ Fifo-Spritzeinheit. Zusätzlich ist die Maschine mit einer Heizplattenverschiebung zum Erleichtern des Werkzeugeinbaus und einer hydraulischen Verschiebeeinrichtung für die Mittelplatte mit den Kernen ausgerüstet. In der Spritzgießmaschine befindet sich ein 18-fach Spritzgießwerkzeug für „Stufenrohr“-Formteile (Bild 4). In diesem Fall ist der Robotergreifer mit einem Artikelgreifer für verschiedene Teilegrößen sowie einem Angussgreifer mit Schneidsystem zum Trennen des Angusses bestückt. Die Entformeinheit ist zur Übernahme der kreisrund angeordneten Formteile samt Angussspinnen aus dem Spritzgießwerkzeug konzipiert. Alle Formteile werden in einem Arbeitshub von der ausgefahrenen Mittelplatte übernommen und in den Arbeitsbereich des Roboters transferiert. Mittels integriertem Servo-Rundtakttisch werden die abzunehmenden Formteile dem Roboter zugedreht. Dieser entnimmt die Teile einzeln und platziert sie auf einem „Teileträger“, welcher von einem zentralen Transfersystem bereitgestellt wird. Dieses Transfersystem bringt die Teile dann zu den weiteren Nachbearbeitungsstationen. Da mit dem Spritzgießwerkzeug unterschiedliche Formteilgrößen in einem Schuss produziert werden können, ist das Fördersystem zur späteren Wiedererkennung der individuellen Formteiltype mit einer RFID-Kennzeichnung mit Zuordnung zu den Formkavitäten kombiniert.

Die oben vorgestellten Neuerungen und Anwendungsbeispiele sind nur ein erster Blick durch das „Schlüsselloch“ der Automatisierungsabteilung. Der neue Geschäftsbereich ist für den Anwender die zentrale Kontaktstelle, die alle Projektaspekte von der Anfangsidee bis zur Endabnahme begleitet. Die Voraussetzungen für ein Gelingen des Konzepts wurden vom Anlagenbauer mit dem umfangreichen und systemübergreifend abgestimmten Autocell-Modulbaukasten geschaffen.

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