Vollautomatisiert & punktgenau: Fließlochschrauben im Karosserierohbau

Igus-Lösungen versorgen robotergestütztes Schraubsystem zuverlässig mit Daten, Energie und Medien

Vollautomatisiert & punktgenau: Fließlochschrauben im Karosserierohbau

Im Karosserie-Leichtbau spielt das Fließlochschrauben eine wichtige Rolle, da mit dieser Fügetechnik Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium verbunden werden können. Um in der vollautomatisierten Automobil-Produktion die Prozesse weiter zu vereinfachen, bietet die Firma Klingel mit dem robotergestützten Schraubsystem KFlow ein Gesamtsystem an. Die Basis für die Komplettlösung bildet ein gemeinsam mit der Firma Igus entwickelter Standard-Robotik-Leitungssatz sowie die Igus-Roboterenergiezuführung Triflex R. Das SPS-MAGAZIN hat mit den am Entwicklungsprozess beteiligten Personen der beiden Unternehmen über das Gemeinschaftsprojekt gesprochen.
Es gibt mehrere ‚kalte Fügetechniken‘, die im Karosseriebau eingesetzt werden – Clinchen, Nieten und das Fließlochschrauben. Welche Vorteile bietet das FLS-Verfahren gegenüber den anderen Fügetechniken?

Dr. Robert Klingel: Grundsätzlich kann man zwischen den einseitigen und den zweiseitigen Fügeverfahren unterscheiden. Zweiseitig bedeutet, dass die Stelle, an der zwei Bauteile miteinander verbunden werden sollen, eben von zwei Seiten aus zugänglich sein muss, um die Verbindung herzustellen. Das ist zum Beispiel beim Clinchen, Stanznieten und auch beim klassischen Widerstandspunktschweißen der Fall. Beim Fließlochschrauben handelt es sich dagegen um ein einseitiges Verfahren, die Verbindungsstelle muss also nur von einer Seite aus zugänglich sein. Das eröffnet größere Freiräume bei der Gestaltung der Bauteile, die miteinander verbunden werden sollen. So ist es mit FLS beispielsweise möglich, Bleche mit Hohlprofilen zu verbinden, was mit zweiseitigen Verfahren nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich ist. Weiterhin erlaubt das Fließlochschrauben die Verbindung von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium. Auch aus diesem Grund nimmt das Verfahren inzwischen einen festen Platz im Karosserie-Leichtbau ein.

Welche Herausforderungen müssen dabei generell gelöst werden?

Dr. Klingel: Eine der größten Herausforderungen ist sicherlich das Zusammenspiel von Roboter und Schrauber. Im Vergleich zu einer Schweißzange muss der Roboter beim Fließlochschrauben nicht nur das Gewicht des Schraubers tragen, sondern auch die Prozesskräfte aufbringen. Das erfordert zum einen Roboter mit hoher Traglast und zum anderen mit ausreichender Steifigkeit, damit es während des Schraubvorgangs zu möglichst geringen Verlagerungen kommt. Ein weiterer Punkt ist die sichere Zuführung der Schrauben vom Sortiergerät über das Schlauchpaket des Roboters zum Schrauber. Der dafür verwendete Zuführschlauch muss so entlang des Roboters verlegt werden, dass die Schraube unabhängig von der Roboterstellung in einer definierten Zeit zum Schrauber transportiert wird. Dazu ist eine Energiekette notwendig, die sowohl den Zuführschlauch als auch die Leitungen zuverlässig führt. Hinsichtlich des Zuführschlauchs ist unabdingbar, dass dieser seine Geometrie unabhängig von den Bewegungen des Roboters dauerhaft beibehält, also beispielsweise nicht durch parallel laufende elektrische Leitungen belastet und verformt wird. Diese Anforderung wird bei der Energiekette Triflex R von Igus hervorragend erfüllt. Damit ist die Grundlage für eine hohe Verfügbarkeit des Fließlochschraubsystems gesichert.

Wie wird die Zuführung des Schlauchs bei der Triflex R konkret gelöst?

Jörg Ottersbach: Wir führen den Schlauch getrennt von den Leitungen. Um das zu erreichen, haben wir mit der Serie triflex R TRCF ein geschlossenes Energie-Rohr entwickelt, das auf einem Dreikammerprinzip beruht: Alle drei Kammern der TRCF lassen sich unabhängig voneinander öffnen und schließen. Der Zuführschlauch wird in einer der drei Kammern des Energierohrs geführt und ist so vor Deformation weitestgehend geschützt. Auf diese Weise ist der Zuführprozess in jeder Achsstellung des Roboters zuverlässig möglich.

Gibt es weitere Vorteile der Triflex R Roboterlösung gegenüber anderen Systemen?

Ottersbach: Der Hauptaspekt für eine zuverlässige und betriebssichere Führung der Roboterleitungen und -schläuche ist das Einhalten der Mindestbiegeradien – wird dieser unterschritten, drohen kostenintensive Anlagenausfälle. Die Konstruktion der Igus Triflex R stellt sicher, dass in jeder Bearbeitungsposition des Roboters der vorgegebene Mindestbiegeradius eingehalten wird – ein umlaufender außen liegender Anschlag verhindert ein Abknicken über das Mindestbiegeradienmaß hinaus. Des Weiteren wird durch den modularen Aufbau der Igus Triflex R sichergestellt, dass ein Torsionswinkel je Kettenglied von ca. ±10° nicht überschritten wird. Das hat den Vorteil, dass die Torsionsbelastungen der Leitungen auf die gesamte Länge verteilt werden und nicht wie bei anderen Systemen nur im Bereich der Zugentlastung. Gerade bei Roboteranwendungen mit Zuführschläuchen wie beim Fließlochschrauben garantiert der definierte Mindestbiegeradius der Triflex R Roboterenergiezuführung die Prozesssicherheit. Denn knickt der Zuführschlauch ab, wird die Versorgung der Schrauben am Werkzeug unterbrochen und der Prozess gestört.

Was war Ihr Entwicklungsziel bei dem robotergestützten Schraubsystem KFlow und welche Hürden waren zu nehmen?

Dr. Klingel: Unser Ziel war von Anfang an, ein System zu entwickeln, das über alle einzelnen Komponenten hinweg einen zuverlässigen Fügeprozess gewährleistet. Einen wesentlichen Einfluss auf die Verfügbarkeit des Gesamtsystems hat dabei die Energiezuführung vom Steuerschrank über den Roboter bis zum Schrauber. Wird die Beweglichkeit des Roboters voll ausgenutzt, steigen die Anforderungen an die verwendeten Komponenten. Die aufeinander abgestimmten Komponenten Triflex R sowie die Leitungen aus der Reihe CFRobot von Igus stellen für uns die Basis für ein hochverfügbares Gesamtsystem dar. Eine Leitungstype war jedoch noch nicht in der benötigten Form im Lieferprogramm. Die Spezifikation wurde in partnerschaftlicher Zusammenarbeit mit Igus erarbeitet. Anschließend wurde die Leitung in kürzester Zeit produziert. So konnten wir im Rahmen eines Projektes die Wünsche der Automobilindustrie erfüllen.

Um welche Leitung handelte es sich dabei?

Richard Habering: Für eine Gesamtlösung fehlte noch ein standardisierter Robotik-Leitungssatz, der von mehreren Fügegeräten für die jeweiligen Prozesse genutzt werden kann. Da die Roboter im Karosserierohbau ausgelastet sein müssen, kommt es bei jedem Takt auf den schnellen Wechsel der Werkzeuge an. Damit das gelingt, werden die elektrischen Verbindungen zwischen Schraubsystem und Steuerung mithilfe von Dockingsystemen an der Roboterhand gesteckt. Bei der zunehmenden Anzahl von Prozessgeräten erhöht sich allerdings die Anzahl der Leitungen sowie der Stecker an den Dockingsystemen – was die Zugänglichkeit der Werkzeuge an den Fügepunkten der Karosserie einschränkt. Die Anforderung der Hersteller war folglich, die Leitungen zu reduzieren. So haben wir gemeinsam mit Dr. Klingel und einigen an der Fügetechnik beteiligten Unternehmen ein neues System entwickelt, das die Prozesse vereinfacht: Mit der Chainflex Hybridleitung CFRobot9.007 sowie der Motor- und Servoleitung CFRobot7.4502.02.c. muss am Roboter jetzt nur noch ein Leitungssatz verlegt werden. Eine von dem Unternehmen Stäubli entwickelte Umschaltbox am Robotersockel verbindet den universal einsetzbaren Leitungssatz mit der jeweiligen Steuerbox. Igus liefert den Leitungssatz passend zum Verbindungssystem mit der zugehörigen Steckerkomponente als Readycable oder als fertiges System inklusive des Nieten- und Schraubenzuführschlauchs.

Was ist das Besondere an Igus- Chainflex-Leitungen für den Einsatz an Industrierobotern?

Habering: In der Robotertechnik sind die Leitungen stark wechselnden Belastungen ausgesetzt. So ändern sich zum Beispiel in Abhängigkeit der Torsionsrichtung die Durchmesser des Verseil-aufbaus. Um die auf die Adern wirkenden Kräfte auszugleichen, werden die, speziell für den Einsatz in dynamischen Anwendungen konstruierten Aderverbände mit Dämpfungselementen wie Rayonfäden oder Torsionskräfte absorbierendem Flies aufgebaut. Besonders hoch sind die Anforderungen bei den geschirmten Varianten: Damit die auf die Schirmdrähte einwirkenden Kräfte nicht zu groß werden, legen wir unter und über die Schirme Tapes aus Flies. Auch der Schirm selbst umlegt die Verseilgebinde in eine Richtung und wird nicht wie gewöhnlich geflochten. Zusätzlich werden unter den Außenmantel spezielle PTFE-Folien eingearbeitet, die in der Leitung ein Gleiten der Adern untereinander bewirken. Diese ‚weichen‘ Konstruktionselemente geben den Adern die notwendige Bewegungsfreiheit, reduzieren Zug- und Stauchkräfte und verhindern einen durch vorzeitigen Aderbruch entstandenen Maschinenstillstand. Für unsere Chainflex CFRobot-Serie garantieren wir bei Torsionsanwendungen mit einem Torsionswinkel bis zu ±180° eine Lebensdauer von mindestens fünf Millionen Zyklen oder 36 Monate, je nach dem, was zuerst eintritt. Aufgrund unserer jahrzehntelangen ‚Plastic for longer life‘ -Erfahrung haben wir außerdem die Mantelwerkstoffe optimal auf den Kunststoff der Triflex R Energieführung abgestimmt – und konnten so den Abrieb und Verschleiß auf ein Minimum reduzieren.

Was verstehen Sie unter ‚garantierter Lebensdauer‘?

Habering: Igus verfügt über ein 1.750m² großes Testlabor, dem weltgrößten Labor für dynamische Leitungen. Dort tordieren wir unsere Chainflex CFRobot-Leitungen bei kontinuierlicher Messung der Aderwiderstände auf verschiedenen Prüfständen millionenfach. Alle Testergebnisse fließen in eine Datenbank. Dies erlaubt uns – zusammen mit unserer jahrzehntelangen Erfahrung in der Kunststofftechnologie – eine Garantie auf die mechanischen Eigenschaften der Chainflex-Leitungen auszusprechen: je nach Torsionslänge oder -Winkel von 36 Monaten für fünf Millionen, siebeneinhalb Millionen oder zehn Millionen Zyklen. Dadurch werden die Prozesse im Maschinenbau präzise planbar. Sollte dennoch eine CFRobot-Leitung bei dem im Katalog vorgeschriebenem Einsatz ausfallen, liefern wir sofort und kostenfrei eine neue Leitung.

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