Qualitätskontrolle

Peter Stiefenhöfer,

Schweißnähte im Laserlicht

Die Sportwagen seiner R8-Serie sind Audis Rennwagen für die Straße. In der Karosseriefertigung dieser in der Grundausführung 610 PS starken Boliden unterstützt ein Laserprojektionssystem des Freiburger Herstellers Z-Laser die Mitarbeiter bei der manuellen Überprüfung der rund 1.500 Schweißnähte pro Karosserie.

In der Grundausstattung hat der Audi R8 610 PS. Pro Karosserie müssen 1500 Schweißnähte überprüft werden. © Audi Sport

Manuelle Fertigung und Qualitätsprüfung in der Produktion von hochwertigen Automobilkarosserien findet man in der Manufaktur Audi Böllinger Höfe der Audi Sport GmbH. Hier entsteht nahezu in Handarbeit der Supersportwagen Audi R8. Auch der Karosseriebau ist dabei ein spezieller Manufakturbetrieb. Die R8-Manufaktur ist auf kleine Serien und große Vielfalt ausgelegt: „Unsere hochqualifizierten Kollegen bauen die Autos mit größter handwerklicher Sorgfalt. Sie erfüllen dabei höchste Qualitätsansprüche“, sagt Felix Knoll, Fachprojektleiter Karosseriebau von Audi Sport.

Im ersten Schritt schweißen Spezialisten den Vorderwagen, den Mittelboden und den Hinterwagen aus Aluminium-Gussteilen und -Strangpressprofilen zusammen, danach verbinden sie die drei Module zum Unterbau. Roboter übernehmen die kalten Verbindungen. Auch die anschließende Qualitätskontrolle der rund 1.500 Schweißnähte pro R8-Karosserie erfolgt durch Mitarbeiter. Dass auch bei dieser Vorgehensweise eine 100-Prozent-Kontrolle jeder einzelnen Schweißnaht mit absolut sicherer Erkennung fehlerhafter Verbindungen erfolgen muss, war dabei nach Knolls Aussage unabdingbar: „Eine Karosserie mit nur einer einzigen unsauberen Schweißnaht entspricht schon nicht mehr unseren hohen Qualitätsansprüchen und ist damit unverkäuflich.“

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Um die Frage zu beantworten, wie sich 100 Prozent aller Schweißnähte an jeder Karosserie überprüfen lassen, hatte sich konzernübergreifend ein Kollege Knolls mit der Technologiebewertung und -suche beschäftigt und dafür verschiedene Technologien untersucht. Das Problem war dabei: Wie überprüft man eine Aluminium-Schweißnaht auf einem Aluminium-Hintergrund? „Optische Verfahren wie Bildverarbeitungssysteme, die das Ganze mit einem vorgegebenen Bild abgleichen, waren für diese Aufgabenstellung bisher nach unseren Erfahrungen nicht zielführend“, sagt Knoll. „Auch andere Technologien wie Computertomographie, MRT oder Augmented Reality waren mögliche Kandidaten, stellten sich am Ende jedoch ebenfalls als nicht geeignet heraus. Schließlich haben wir uns in Anbetracht der vielen Kriterien, die erfüllt werden müssen, für ein Laserprojektionssystem der Firma Z-Laser Optoelektronik entschieden.“

Umsetzung auf engem Bauraum

Zu den von Knoll genannten Kriterien zählten unter anderem die Vorgabe, dass das System die Überprüfung jeder Schweißnaht jeder einzelnen Karosserie innerhalb der Taktzeit ermöglichen musste, um keine Verzögerungen im Fertigungsfluss zu verursachen. Zudem war es erforderlich, dass der Umsetzungszeitraum zu den Gegebenheiten in der Fertigung der R8-Modelle passte: „Die Implementierung des Systems musste zeitlich und von den räumlichen Verhältnissen machbar sein. Der Platz in einer solchen Anlage ist dabei naturgemäß immer begrenzt. Die Hauptschwierigkeit war, dass wir das System in bestehende Anlagen integrieren mussten, der Bauraum für eine solche Laserzelle war begrenzt und wir mussten das System mit dem zur Verfügung stehenden Platz realisieren. Daher haben wir Aufhängungen, Hebebühnen sowie Peripherie wie Strom und Datenkabel installiert, damit Z-Laser sein System unproblematisch in Betrieb nehmen konnte.“

Neben diesen technischen und räumlichen Randbedingungen war eine weitere Voraussetzung für die Realisierung, dass das System in einem vorgegebenen Kostenrahmen bleiben musste.
„Angesichts der großen Anzahl der Schweißnähte und der erforderlichen Sicherheit der Qualitätsprüfung wollten wir unseren Mitarbeitern aber auf jeden Fall eine Hilfe für die Prüfung aller Schweißnähte an die Hand geben“, betont Knoll. Bereits in der Phase der Technologiesuche stießen seine Kollegen und er auf das Freiburger Unternehmen Z-Laser, das sich bereits seit vielen Jahren auf die Herstellung von Laserquellen für besondere Kundenanwendungen spezialisiert hat. „Anfang 2016 war Z-Laser mit einem Testgerät zu Vorführungszwecken bei uns vor Ort, und wir waren schnell davon überzeugt, dass das vorgestellte System unsere Anforderungen erfüllen kann.“ Nach detaillierten Machbarkeitsstudien erfolgte im Anschluss die finale Systemauswahl und -zusammenstellung, und im Oktober 2016 erhielt Z-Laser dann den Auftrag von Audi.

Die Freiburger unterstützten Knoll und sein Team danach bei der Integration des Lasersystems in die Anlage sowie bei dessen Programmierung. Im April 2017 wurde die Anlage dann zur Prüfung von Karosserien für das Audi R8 Coupe als erster Modellvariante in Betrieb genommen. Schon kurze Zeit später konnte das komplette Serienprogramm über diese Anlage abgebildet werden. Den Ablauf der Prüfung beschreibt der Audi-Ingenieur so: „Wir bilden unseren 3D-Datensatz der Karosserie im System ab, und das Z-Lasersystem projiziert diesen Datensatz über insgesamt sechs Laserprojektoren des Typs LP-HFD2 aus unterschiedlichen Richtungen auf die reale Karosserie. Die zu überprüfenden Teile werden dafür zunächst über die vorgesehene Fördertechnik auf Referenzpunkte abgesetzt. Der Mitarbeiter wählt dann die richtige Position und das aktuelle Modell an und kann danach über eine Fernbedienung des Lasersystems durch die einzelnen Schritte der Überprüfung klicken. Je nach Lage der Schweißnaht projiziert dann ein geeigneter Laserprojektor grüne Laserlinien auf die Karosserie und zeigt dem Mitarbeiter so die Sollposition mit Anfangs- und Endpunkt der Schweißnähte an. Auf dieser Basis kann er die Projektion und die reale Schweißnaht vergleichen und sehr einfach erkennen, ob die einzelne Schweißnaht vorhanden und ob die vorgegebene Länge korrekt ist. Die Güte der Schweißnaht muss der Mitarbeiter allerdings selbst beurteilen.“ Eine grüne Laserquelle erzeugt dabei einen maximalen Helligkeitseindruck beim Betrachter.

Der Laser Zeigt die Soll-Position der Schweißnähte an. © Z-Laser

Im Produktionsablauf sind drei Mitarbeiter für die visuelle Prüfung verantwortlich. Einer überprüft mittels des Projektionssystems die Schweißnähte. Die anderen beiden des sogenannten Qualitäts-Regel-Kreises (QRK) kontrollieren sie visuell in unterschiedlichen Fertigungsstufen, sodass jeder Umfang im Vier-Augen-Prinzip abgedeckt ist. Für diese Aufgaben müssen die Mitarbeiter laut Knoll sehr erfahren sein und alle Fertigungsumfänge sowie deren Verortung kennen, um bei Bedarf fehlerhafte Prozesse erkennen und diese korrigieren zu können.

Einfaches Einarbeiten durch standardisierte Abläufe

Mit der nun seit einigen Monaten problemlos laufenden Lösung ist Knoll sehr zufrieden: „Wir sind mit unserem Prüf-ablauf deutlich effizienter geworden und können mittlerweile mehr Prüfumfänge im Ablauf des QRK-Mitarbeiters integrieren, die vorher an anderer Stelle kontrolliert wurden.“

Als sehr nützlich für diese Anwendung empfindet der Audi-Ingenieur unter anderem die Möglichkeit, „dass wir mit Hilfe einer Software entscheiden können, zu welchem Zeitpunkt in welcher Position von welchem Laser eine bestimmte Schweißnahtposition anzeigt wird. Wir haben dadurch einen definierten, standardisierten Prüfablauf. Das heißt, jede Schweißnaht wird immer zum gleichen Zeitpunkt abgefragt.“ Auf diese Weise sei es schnell und einfach möglich, neue Mitarbeiter auf das System einzulernen, damit diese die Überprüfung einer Karosserie selbstständig vornehmen können.

Umstellungen schnell implementieren

Für die Anpassung von Prüfabläufen, beispielsweise wenn ein neues Modell oder Modelländerungen zu einer Veränderung der Schweißnähte führen, ist das System laut Knoll sehr flexibel: „Die CAD-Daten der zu prüfenden Umfänge dienen als Grundlage. Diesem Datensatz wird ein Zeitpunkt im Prüfablauf zugewiesen und definiert, in welcher Position und von welchem Laser die Projektion stattfinden soll. Eine Software wandelt neue Datenpakete in Projektionsdaten um. Handelt es sich um geringe Umfänge, wie zum Beispiel eine veränderte Schweißnaht, sind wir innerhalb weniger Minuten in der Lage, die entsprechende Veränderung im Prüfablauf zu implementieren.“ Bei einem neuen Modell erfordern die Definition des Prüfablaufes und die Festlegung der Projektion ohne Feinschliff einen Arbeitsaufwand von etwa 2 bis 3 Wochen. „Jedoch können wir dies ohne weitere externe Unterstützung umsetzen“, betont der Fachprojektleiter.

Die Zusammenarbeit mit Z-Laser bewertet Knoll als sehr gut und problemorientiert: „Das Projekt wurde durch hilfreiche Vorschläge seitens Z-Laser optimiert und ist nun ein wesentlicher Bestandteil, um die manuelle Überprüfung der Schweißnähte in der Produktion unserer R8-Modelle optimal zu gestalten.“

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