Damit der Druck bleibt
Damit die Ladeluft aufgeladener Motoren vollständig dort ankommt, wo es die Leistung erfordert, braucht es robuste Schläuche. Entsprechend hart wird das Schlauchmaterial getestet. Im Prüfstand bei Veritas übernehmen Roboter dafür eine "unbewegte" Aufgabe. Gemeinsam mit dem Automobilzulieferer hat Reis Robotics einen neuen Standard geschaffen.
Der traditionsreiche Automobilzulieferer Veritas ist ein modernes Familienunternehmen mit Konzernsitz im hessischen Gelnhausen. Das Unternehmen hat weltweit rund 3.000 Beschäftigte an sieben Standorten. Die Kundenliste liest sich wie das Who-is-Who der bekanntesten Autohersteller weltweit. Dass so viele Anbieter auf die Kompetenz des Unternehmens vertrauen, hat seinen Grund, denn ‚Qualität beginnt im Kopf‘ – eines der Unternehmensziele, das konsequent umgesetzt wird.
Qualität entsteht schon bei der Konstruktion, wo Veritas seine Kunden mit dem vorhandenen Know-how unterstützt. Einen besonderen Stellenwert haben intensive Tests im Prüflabor. Dr. Hans-Joachim Löwe leitet diesen Bereich seit mehr als zehn Jahren: „Speziell bei Erst- und Neubemusterungen sowie Prozessumstellungen von Ladeluftschläuchen prüfen wir besonders intensiv.“
Herausforderung: realitätsnah belasten und prüfen
Für die Prüfungen über einen Zeitraum von einer Woche bis zu mehrwöchigen Langzeittests sollten deshalb Prüfeinrichtungen geschaffen werden, die möglichst realistische Tests erlauben. Prinzipiell sind Ladeluftschläuche im Betrieb hohen thermischen wie auch mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die komprimierte Luft, die vom Turbolader kommt, ist sehr heiß. Nach dem Ladeluftkühler ist die Temperatur erheblich niedriger.
Gleichzeitig variieren die Druckverhältnisse je nach Motorlast. Erschwerend kommt hinzu, dass aus Komfortgründen Motorlagerungen immer elastischer ausgelegt werden und damit äußere Kräfte auf die Schläuche einwirken. All das muss nach dem Qualitätsverständnis von Dr. Löwe getestet werden, um eine Dauerhaltbarkeit sicherzustellen. „Nach Tests auf Druck- und Temperaturstabilität in der Vergangenheit begannen wir im Jahr 2001 damit, erste Bewegungsmessungen im Rahmen der Funktionsprüfung einzuführen. Hatten die ersten frühen Prüfprogramme nur eine Achse, die belastet wurde, so war es unser Ziel, frei beweglich alle Ebenen im Raum abfahren zu können, um die Realität möglichst optimal abzubilden.“
Alle Bewegungen nachbilden
Die Idee von Dr. Löwe war es, mehrere Fliegen mit einer Klappe zu schlagen. Zum einen ging es darum, möglichst einfach die genaue Einbaulage der Schläuche im Fahrzeug abzubilden und zum anderen sollten dann die möglichen Bewegungen in allen Koordinatenebenen sowie Winkelbewegungen möglich sein. Es wurde schnell klar, dass dies mit konventionellen Prüfständen nicht machbar war. Außerdem fand er die Rüstzeiten bei jedem Modellwechsel inakzeptabel, da das Prüflabor eine hohe Auslastung hat und Leerlauf nicht wünschenswert ist. So entstand 2004 die Idee des Robotereinsatzes.
„Als Dr. Löwe mit seiner Idee zu uns kam, waren auch unsere Produktverantwortlichen zunächst überrascht“, erklärt Projektleiter Matthias Schmitt von Reis Robotics. „Üblicherweise werden Roboter eher dort eingesetzt, wo schnelle Bewegung mit großen Verfahrwegen im Spiel ist. Hier ging es aber darum, nach vorhandenen CAD-Daten der Fahrzeughersteller die Einbaulage nachzubilden und dann Belastungstests durchzuführen, bei denen sich die Bewegung auf wenige Zentimeter beschränkt.“
Entstanden sind mehrere Prüfkammern, in denen jeweils vier Schläuche an einem Ende fixiert werden. Am anderen Ende werden sie mit einer Schnellkupplung auf einer Vorrichtung montiert, die an der Roboterhand befestigt ist. In der Kammer herrschen extreme klimatische Bedingungen, die selbst im harten Autoleben meist nicht erreicht werden – von Minustemperaturen bis zum heißen Motorraum bei einer Fahrt durch die Wüste. Der außerhalb der Kammer stehende Roboter von Reis Robotics ist über eine elastische Durchführung mit der Vorrichtung innen verbunden und bewegt, verdreht oder rüttelt an den Schläuchen, die praxisgerecht von heißer Druckluft durchströmt und ständigen Lastwechseln ausgesetzt werden. „Bei einer Frequenz von 0,5 bis 1 Hz schaffen wir im Dauerlauf 40.000 bis 80.000 Impulslastwechsel täglich. Je nach Vorgaben der Fahrzeughersteller verbleiben die Prüflinge etwa eine Woche in der Prüfkammer. Für manche unserer Kunden führen wir auch Langzeittests bis zu sechs Wochen durch“, erklärt Dr. Löwe und ergänzt: „Mit dieser Idee konnten wir nicht nur die Autohersteller überzeugen, sondern auch die Prüfstandhersteller, so dass das gemeinsam mit Reis Robotics erarbeitete Verfahren heute zum Standard in der Branche avanciert ist.“
Reis Robotics hat für diese Anwendung eine neue Software entwickelt, die speziell auf diese außergewöhnlichen Bewegungen ausgelegt ist. Ging man noch in der ersten Projektphase davon aus, dass ein kleiner Roboter mit 20 kg Tragkraft wegen der leichten Bauteile ausreichend sei, wurde schnell klar, dass die dynamischen Belastungen und millimetergenaue Bewegungen eine steifere Auslegung und damit einen auf höhere Last (130 kg) ausgelegten Roboter erfordern. Eine Probeinstallation im Technikum von Reis Robotics bewies dem Kunden Veritas, dass die gestellte Aufgabe gelöst war. Nach der Installation löste das Team noch eine weitere Herausforderung: Die Kraft-Moment-Messung. Eine Messeinrichtung am Roboterarm nimmt die Reaktionskräfte auf und liefert damit Daten, welche Kräfte beispielsweise auf den Ladeluftkühler im Betrieb wirken, wenn sich der Motor in seinen Lagern bewegt.
Realistische Dauertests am laufenden Band
Die Pionierleistung von Reis Robotics und Veritas hat eine Prüfstandslösung für Ladeluftsysteme hervorgebracht, die näher an der Realität ist als alle anderen Prüfsysteme zuvor. Durch den flexibel beweglichen Roboterarm ist es darüber hinaus möglich, die Prüfkammer stets mit vier Prüflingen zu bestücken, was zuvor bei komplex geformten Schläuchen unter den gegebenen räumlichen Bedingungen nicht immer durchführbar war. Die Lösung erlaubt es darüber hinaus, durch kürzere Rüstzeiten mehr Testläufe in der gleichen Zeit durchzuführen. „Dieser Fortschritt versetzt uns in die Lage, unsere Prüfdienstleistungen auch anderen Herstellern anzubieten, die solche Einrichtungen nicht besitzen“, so Dr. Löwe.
Roboter-Lösung 2
Die Kreativität beim Einsatz von Robotern ist damit bei Veritas noch nicht erschöpft. Schon vor dem Einsatz in den Funktionstests hatten Dr. Löwe und die Mitarbeiter seiner Messtechnikabteilung 2001 eine andere interessante Idee. „Es ging darum, Roboter in diesem Bereich einzusetzen. Wenn wir Schläuche entwickeln, muss die Erstbemusterung schlüssig nachweisen, dass die Produkte den Herstellervorgaben hinsichtlich Maßhaltigkeit und Formgebung im Raum entsprechen, schließlich dürfen sie im eingebauten Zustand nirgends scheuern oder andere Systeme behindern.“
Im Prüflabor für Messtechnik werden die Schläuche – auch sehr dünne und komplex geformte für Flüssigkeiten – taktil an vordefinierten, diskreten Punkten vermessen und mit Vorgaben aus der CAD-Datenbank verglichen. Gerade wegen der teils komplizierten Biegungen beanspruchte in der Vergangenheit die Einrichtung des Messaufbaus übermäßig viel Zeit – mehr als der eigentliche Messvorgang.
Sie bewegen sich nicht
Die Herausforderung bedingte bei Reis ein Umdenken, sollten sich doch die Roboter im Betrieb eben nicht bewegen, sondern nur in einer bestimmten Position innehalten. Dazu mussten die Roboter die CAD-Daten der Konstruktion übernehmen und sich mit der Messmaschine synchronisieren. Ein Grund dafür ist, dass sich die Maschinen nicht gegenseitig beschädigen oder behindern. Darüber hinaus galt es, die Anlage für den Bediener sehr sicher zu machen, da der Betrieb nicht in einer geschlossenen Zelle erfolgt. Deshalb wurden die Bewegungsgeschwindigkeiten und Radien so begrenzt, dass ein Einklemmen oder eine sonstige Verletzungsgefahr nicht möglich ist. Für eine einfache Bedienung hat Reis Robotics ein grafisches Front-End für den PC entwickelt, an dem sich das Gesamtsystem sehr intuitiv einrichten lässt.
Die Lösung ist heute sehr effizient. Der Mitarbeiter der Messtechnik ruft das Bauteil am PC auf und übergibt dann per Mausklick die Daten an die beiden Roboter und die Messeinrichtung. Danach spannt er das Werkstück in die bereits passend stehenden Aufnahmen an den Roboterhänden ein und stellt bei Bedarf mechanische Zwischenhalter auf, die Halteklammern beim Einbau im Fahrzeug entsprechen. Er startet dann das Messprogramm, das an den vorbestimmten Punkten automatisch die Daten abnimmt und einem Mess-protokoll zuführt. Dieses wird am Ende den OEMs übergeben. Formschläuche, wie sie verstärkt bei den engen Einbauverhältnissen im Motorraum eingesetzt werden, verändern ihre Kontur unter Druckbelastung. Für Bauraumuntersuchungen werden daher die Leitungen drucklos und unter Druckbeaufschlagung gemessen. Diese Lage- und Formänderung wird vorzugsweise mit einem Oberflächenscanner aufgenommen, der aus nahezu unendlichen vielen Punkten 3D-Bilder der beiden Zustände erzeugt, die wiederum miteinander oder mit dem CAD-Datensatz der Sollkontur verglichen werden können. Die Messungen werden nicht nur bei der Erstbemusterung durchgeführt, sondern auch bei jeder Prozessumstellung und darüber hinaus mit Stichproben aus der Serienfertigung untermauert.
Veritas setzt Roboter von Reis atypisch ein. Es geht nicht um schnellere Produktion, sondern darum, flexibel, schnell und sicher Prüfungen an Werkstücken durchzuführen. „In der Messtechnik haben wir damit er-hebliche Zeiteinsparungen erreicht“, so Dr. Löwe abschließend. „In der Funktionsprüfung konnten wir nicht nur gemeinsam neue Standards setzen, sondern haben die Qualität und Möglichkeiten der Prüfung in neue Höhen geführt. Gleichzeitig haben wir den Montageaufwand verringert, so dass auch hier mehr, besser und schneller geprüft wird.“ Und am Ende ist sichergestellt, dass der Druck in den Schläuchen bleibt.
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