Technische Sauberkeit

Automatisch sauber

Das Thema Technische Sauberkeit direkt in die Fertigungsprozesse zu integrieren, gewinnt für produzierende Unternehmen eine immer größere Bedeutung. Auch deshalb erlebt die industrielle Teilereinigung einen massiven Automatisierungsschub.

Die neue Eco C Flex 3 ist eine Systemlösung für die Reinigung kompletter Powertrain-Bauteile.

Anlässlich der bevorstehenden Fachmesse Parts2Clean in Stuttgart hat SCOPE-Redakteur Michael Stöcker aktuelle Beispiele dafür zusammengetragen. Lesen Sie hier von One-Piece-Flow-Prozessen, Roboterzellen und dem Diktat der qualitätssichernden Messtechnik.

Blicken wir zunächst ins Saarland, nach St. Ingbert. Warum? Weil hier eines der deutschen Mittelstands-Glanzlichter seinen größten Produktions- und Logistikstandort hat, die Festo AG. Mit seinen Lösungen rund um die pneumatische und elektrische Steuerungs- und Antriebstechnik deckt das Familienunternehmen viele, viele Anwendungen in der Fabrik- und Prozessautomatisierung ab. In St. Ingbert fertigt es elektrische und pneumatische Antriebe sowie Zylinder. Und nicht nur weil sich in dieser SCOPE-Story alles um die Teilereinigung dreht, erklärt Sergej Ostrovski aus der Abteilung Technologiebeschaffung des Werks: „Hohe Sauberkeit ist bei unseren Bauteilen ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Einerseits würde partikulärer Restschmutz vermehrten Verschleiß verursachen. Andererseits sind fleckenfreie Oberflächen ein Gütezeichen unserer Produkte“.

Anlässe genug, um in Sachen Teilereinigung stets auf dem neusten Stand der Technik zu sein. Deshalb investierte Festo am Standort St. Ingbert in den letzten Jahren gleich in drei Reinigungsanlagen für wasserbasierte Prozesse des Unternehmens Karl Roll. Die Wahl des Anlagenherstellers erfolgte auf der Basis einer Entscheidungsmatrix mit technischen und kaufmännischen Kriterien. „Ausschlaggebende Punkte waren beispielsweise, dass wir im Technikum von Roll die Verfahren mit unseren Bauteilen testen konnten und die Anlagen komplett an unsere Anforderungen angepasst wurden“, berichtet Ostrovski.

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Vollautomatisiert und fertigungsintegriert: Reinigung formengebender Teile; die Spritzreinigungsanlage wird mit einem Roboter beschickt.

Beim ersten Projekt ging es um eine Reinigungsanlage für Spindeln und Kolbenstangen aus Stahl, Edelstahl und Aluminium. Neben den unterschiedlichen Werkstoffen stellten sowohl die Länge der Teile (40 bis 4.000 mm) als auch die verschiedenen Verunreinigungen hohe Anforderungen. Zu den Verunreinigungen zählen Reste von Emulsionen, Öle und Späne sowie – bei den Stahlteilen – ein hochviskoses Transportfett. Aus den Trennverfahren befindet sich auf den Spindeln und Kolbenstangen zudem teilweise ein abrasives Gemisch aus Feinstaub und Öl.

Roll konzipierte dafür ein Einkammer-Spritzreinigungssystem mit drei Tanks, dessen Arbeitskammer mit mehreren Prismenaufnahmen ausgestattet ist. Sie ermöglichen die Aufnahme jeweils eines 4.000 mm langen Teils oder die Aneinanderreihung verschiedener kürzerer Werkstücke. Um sowohl die filmischen als auch die partikulären Verunreinigungen selbst aus den feinen Zwischenräumen von Gewinden zuverlässig zu entfernen, erfolgt die Spritzreinigung mit einem abgestimmten Neutralreiniger und einem Druck von 10 bar. Spritzschatten werden dabei durch die definierte Bewegung der Prismenaufnahmen vermieden.

Kritischer Punkt: Reinigung in Logistikkörben aus Kunststoff.

Nach dem Reinigen folgen zwei Spülschritte mit Medien aus Tank zwei und drei, wobei der zweite mit VE-Wasser erfolgt. Das gewährleistet, dass auch die Aluminiumteile nach der folgenden Warmlufttrocknung eine fleckenfreie Oberfläche aufweisen. „Roll hat diesen Prozess mit kleineren Bauteilen in Reinigungsversuchen entwickelt und wir erreichen damit im täglichen Betrieb bei allen Spindeln und Kolbenstangen ein einwandfreies Ergebnis“, bestätigt Sergej Ostrovski. Für die Aufbereitung der Medien hat jeder der drei Kreisläufe entsprechende Filtrationen; Tank eins verfügt zudem über einen Schwerkraftölabscheider.

Das zweite Reinigungsproblem stellten die Profilrohre (Edelstahl, Alu) der Zylinder dar. Sie sind mit Ölen, Fetten, Spänen und Feinstaub sowie an den Stirnflächen mit einem feinen, abrasiven Abrieb aus dem Bürstentgraten verschmutzt, der schwierig zu entfernen ist. Für die Reinigung dieser Teile benötigte Festo eine neue Anlage, die an den vorhandenen Schwadenkondensator anzuschließen und auf einen Jahresdurchsatz von 1,5 Millionen Teilen auszulegen war. „Die Taktzeitanforderung lag daher bei maximal 3,7 Minuten. Kritischer Punkt dabei ist, dass die Reinigung in Kunststoffkörben erfolgt, die in unsere interne Logistik eingebunden, aber nicht reinigungs- und trocknungsoptimiert sind“, berichtet Ostrovski. Zugleich dürfen die Temperaturen bei Reinigung und Trocknung 50 bis 55 °C nicht überschreiten.

Die von Roll entwickelte Lösung besteht aus einer Reihentauchanlage mit drei Becken, in denen die Schritte Reinigen mit Ultraschallunterstützung, Spülen und Spülen mit VE-Wasser ablaufen. Um die hohe Durchsatzleistung zu erzielen, wird in jedem Becken ständig eine Charge behandelt, die zeitgleich durch einen Förderrechen weitertransportiert wird. Die Anforderung, dass die Teile nicht nur partikel-, fett- und fleckenfrei, sondern auch vollständig trocken sein müssen, wird durch einen zweistufigen Trocknungsprozess mit Warmluft- und Vakuumtrocknung erfüllt.

Mit Scara-Manipulator statt Sechsachs-Knickarmroboter: Neue Reinigungsanlage Eco C Flex 3 von Dürr Ecoclean.

Das dritte Reinigungssystem „spendierte“ Festo dem hauseigenen Spritzguss-Formenbau. Hier wurde zuvor eine neue Fertigungslinie mit einer Bearbeitungszelle installiert, in der mehrere Prozesse (HSC-Fräsen, Senkerodieren) vollautomatisch ablaufen. Dabei sind Toleranzgrenzen von nur etwa zwei Mikrometer einzuhalten. Um diese Genauigkeiten sicherzustellen, werden die Teile zwischen den einzelnen Fertigungsschritten taktil vermessen. Dafür müssen Rückstände wie Späne, Abrieb und Reste der Minimalmengenschmierung aus der spanenden Bearbeitung beziehungsweise der Abtrag und das Öl vom Senkerodieren von den Teilen entfernt werden. „Sauber und trocken reicht für eine zuverlässige Messung aber nicht aus, die Teile müssen auch eine Temperatur von 22 °C haben. Abweichungen sind nur im Bereich von maximal +/- 1 Grad Kelvin zulässig“, erklärt Ostrovski. Anhand originalverschmutzter Teile arbeitete er mit Jörg Weber, Leiter Formenbau bei Festo, und Mitarbeitern von Roll im Technikum des Anlagenherstellers einen passenden Reinigungsprozess aus. Roll konstruierte dafür eine Reinigungszelle (1.700 x 1.550 mm), die in die Fertigungslinie integriert und ins Prozessleitsystem eingebunden wurde.

Die bis zu 70 kg schweren Stahlteile werden auf zwei Nullspannsysteme aufgespannt und mit einem RFID-Chip bestückt. Ein Roboter übernimmt das beladene Spannsystem (Werkstück) und scannt die Daten des Chips, die an das Prozessleitsystem übermittelt werden. „Der Roboter weiß dadurch, welche Bearbeitungsschritte mit dem jeweiligen Werkstück durchzuführen sind, beispielsweise wird zunächst gefräst, dann gereinigt und vermessen, anschließend geht es zum Erodieren, wieder zur Reinigung und zum Vermessen“, erläutert Ostrovski. Nach dem Zerspanen oder Senkerodieren holt der Roboter das Werkstück ab, bringt es zur Reinigungszelle und befestigt es in der für beide Nullspannsysteme ausgelegten Drehaufnahme der Arbeitskammer. Die Reinigung des rotierenden Werkstücks erfolgt im Spritzverfahren mit einem Neutralreiniger bei 40°C und mit einem Druck von 10 bar. Der Tank für das Spülmedium ist mit Kühlschlangen ausgestattet, um dessen Temperatur konstant bei 21°C zu halten.

Die Trocknung der Werkstücke erfolgt mit Warmluft, daran schließt sich eine Vakuumtrocknung an. „Durch das Vakuum nutzen wir zwei Effekte. Wir ziehen die gesamte Restfeuchtigkeit heraus und bringen die Teile gleichzeitig auf die erforderliche Temperatur“, sagt Sergej Ostrovski. Danach holt der Roboter das Werkstück ab und bringt es direkt zur Messstation. „Die Linie läuft an sieben Tagen der Woche 24 Stunden und funktioniert einwandfrei“, betont er abschließend.

Die zunehmende prozesstechnische Verzahnung von Teilereinigung und Messtechnik zeigt sich auch anderenorts – zum Beispiel im Hause Mahle. Hier kommt das System Quattro Clean der ACI AG für die selektive, trockene Bauteilereinigung spanend gefertigter Präzisionsbauteile zum Einsatz, die im Fertigungstakt optisch vermessen werden müssen. Die Platzierung der hierbei eingesetzten Messsysteme erfolgt meist nahe am Bearbeitungszentrum. Denn etwaige Abweichungen bei Dimension, Form, Gewinde oder Lage lassen sich so feststellen, bevor viel Ausschuss entsteht. Ein Problem sind jedoch die mit Bearbeitungsmedium und Spänen verschmutzen Oberflächen. Diese Kontaminationen können Messfehler verursachen und dadurch zu Ausschuss führen.

Als ideal gilt, den bedarfsgerecht ausgelegten Reinigungsprozess direkt nach dem Fertigungsschritt vor dem Messsystem zu platzieren. Realisierbar wird das mit der modularen Reinigungslösung von ACI. Quattro Clean lässt sich auf kleinstem Raum in vollautomatisierte, verkettete Produktionslinien integrieren oder separat einsetzen. Die Zuführung der Teile kann durch alle in der Automatisierungstechnik üblichen Systeme erfolgen.

Erst CO2-Schnee, dann Re-Temperierung: Trockene Selektivteilereinigung vor der optischen Vermessung.

Bei Mahle kommt das System für die fertigungsintegrierte Reinigung von Motorkolben vor der optischen Vermessung der Mantelflächen zum Einsatz. Hier musste – um im Takt des Produktionssystems zu bleiben – eine Reinigungsleistung von 11 cm2/sek erreicht werden. Deshalb platziert ein mit zwei Greifsystemen – für schmutzige und für saubere Werkstücke – ausgestatteter Roboter das Werkstück in der geräuschreduzierend gestalteten Werkzeugaufnahme. Der Arbeitsbereich der Reinigungszelle wird während des Prozesses durch ein Vertikalschott automatisch geschlossen; es trägt zusammen mit der guten Dämmung der Zelle dazu bei, den vorgegebenen Geräuschpegel von 76 dB(A) einzuhalten.

Zur Reinigung rotiert der Kolben, und die Düse fährt die entsprechenden Flächen in einer definierten Geschwindigkeit ab. Gegen Ende des Reinigungsprozesses erfolgt parallel eine Re-Temperierung der Teile mit gefilterter Warmluft. Sie wird über eine Flachstrahldüse auf die Mantelfläche des Kolbens geleitet. Das verhindert Messfehler bei der folgenden optischen Kontrolle. Der Roboter entnimmt das Werkstück und platziert das jeweils nächste für die Reinigung. Anschließend transportiert er den gereinigten Kolben zur Messzelle und positioniert ihn für die anstehende Messung.

Das System von ACI ermöglicht die trockene, selektive Reinigung der zu messenden Oberflächen im One-Piece-Flow des Produktionssystems oder in einem Rundtaktisch. Es ist grundsätzlich geeignet für rotationssymmetrische Werkstücke wie Wellen, Kolben, Lager, Verzahnungsteile, Düsen, Ventile und E-Motorkomponenten oder medizintechnische Produkte wie Implantate und Knochenschrauben, bei denen enge Toleranzen in der Fertigung einzuhalten sind – und die für eine 100%-Kontrolle optisch zu vermessen sind. Serienmäßig verfügt Quattro Clean über eine Siemens- beziehungsweise Beckhoff-Steuerung und kann durch standardisierte Schnittstellen in übergeordnete Leitrechner eingebunden werden.

Der Hersteller stattet seine in drei Größen entwickelten Standard-Reinigungszellen mit einem anwendungsspezifisch angepassten CO2-Schneestrahlreinigungssystem aus. Reinigungsmedium bei diesem umweltneutralen Verfahren ist flüssiges Kohlendioxid. Es wird durch eine patentierte Zweistoffring-Düse von ACP – das ist ein Unternehmen der ACI-Gruppe – geleitet und entspannt beim Austritt zu feinen CO2-Kristallen. Dieser Kernstrahl wird durch einen ringförmigen Druckluft-Mantelstrahl gebündelt und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.

Beim Auftreffen des gut fokussierbaren und -78,5°C kalten Schnee-Druckluftstrahls auf die zu reinigende Oberfläche kommt es zu einer Kombination aus thermischem, mechanischem, Sublimations- und Lösemitteleffekten. Das bewirkt, dass filmische Kontaminationen, beispielsweise Reste von Kühlschmiermitteln, Bearbeitungsölen und Polierpasten sowie partikuläre Verunreinigungen wie Späne und Staub sowie Flittergrate zuverlässig entfernt werden. Von Vorteil ist, dass die Reinigung materialschonend erfolgt, sodass auch empfindliche und fein strukturierte Oberflächen behandelt werden können. Mit dem nicht brennbaren, nicht korrosiven und ungiftigen CO2-Schnee lassen sich fast alle technischen Werkstoffe und Materialkombinationen reinigen. Die Werkstücke sind nach der Reinigung trocken; sie können daher sofort vermessen werden.

Um eine prozesssichere Reinigung selbst hochkomplexer Werkstücke sicherzustellen, lässt sich das Quattro Clean-System mit einer oder mehreren Düsen ausstatten, die permanent oder getaktet strahlen. Düsen mit geringem Bauraum ermöglichen auch das Reinigen schwer zugänglicher Bauteilbereiche (Bohrungen, Hinterschneidungen). Je nach Aufgabenstellung werden die Düsen hintereinander geschaltet oder so angeordnet, dass die zu messende Fläche optimal erreicht wird. Während der Reinigung fährt entweder die Düse an der Teileoberfläche vorbei oder das Teil wird an der stationären Düse vorbeigeführt. In beiden Fällen stellt die teilespezifische Bewegungsprogrammierung des Roboters oder Achssystems eine messfähige saubere Oberfläche sicher.

Der bis hierhin aufmerksame Leser hat es sicher längst bemerkt: Immer wieder tauchen rund um das Thema Teilereinigung moderne Roboter auf. Ihr zunehmender Einsatz ist denn auch ein deutliches Indiz für die voranschreitende Automatisierung in der Teilereinigung.

Gerade bei der Vor- und Endreinigung von Powertrain-Bauteilen, also etwa Zylinderköpfen, Motorblöcken und Kurbelgehäusen – bieten ganze Roboterzellen nicht nur eine hohe Flexibilität, sondern ermöglichen auch die Reinigung der Werkstücke in kurzen Taktzeiten. Häufig kommen allerdings für reinigungstechnische Anwendungen adaptierte Standardroboter zum Einsatz, diese trotz umfangreicher Anpassungen den harschen Bedingungen in Reinigungsanlagen (Feuchtigkeit, Temperaturen, Chemie) nicht immer gewachsen sind.

Das Unternehmen Dürr Ecoclean hat allein in Monschau bereits über 400 Roboteranlagen gebaut. Dadurch hat sich viel Erfahrung angesammelt, die nun auch in die Entwicklung der neuen Reinigungsanlage Eco C Flex 3 eingeflossen ist. Sie wird in zwei Baugrößen als 3M- und 3L-Varinate angeboten – und hat als wesentliche Komponente eben einen Roboter. Dabei fällt dem geübten Betrachter zunächst das ausgefallene Design des hier eingesetzten Scara-Manipulators ins Auge, der den handelsüblichen Sechsachs-Knickarmroboter ersetzt. Dieses Handlingsystem wurde speziell für den Einsatz in einer Roboterzelle konstruiert, besteht aus Aluminium und Edelstahl, und benötigt weder Lackierung noch Schutzjacke. Durch die Schutzklasse IP 69 ist der Manipulator hochdruckwasserstrahlgeeignet und tauchfest sowie für Kabinentemperaturen von bis zu 65°C geeignet. Die eingesetzte Reinigungschemie kann im pH-Bereich von 6 bis 10 gewählt und ohne Freigabe durch einen externen Roboterlieferanten eingesetzt werden.

Mit gemeinsamer Steuerung

Interessant: Eine gemeinsame CNC-Steuerung für den Scara-Manipulator und die Reinigungsanlage ersetzt die bisher erforderliche SPS- und Robotersteuerung. Das vereinfacht und beschleunigt Programmierung, Bedienung, Wartung und Inbetriebnahme beim Werkstückwechsel deutlich. Die Sensorik für die Kalibrierung des Manipulators ist integriert.

Und so erfolgt die Teilereinigung: Eine Spaltflutdüse lenkt den Wasserstrahl über die gesamte Werkstücklänge fokussiert auf die zu reinigenden Bereiche. Ausgestattet ist die Anlage auch mit einer Hybriddüse mit variabler Mischkammer. Es können damit Hochdruck- und Niederdruckanwendungen sowie das Injektionsflutwaschen flexibel in einer Reinigungsstation durchgeführt werden. Alle Reinigungsprozesse sowie das Hochdruckentgraten erfolgen unterhalb der Badoberfläche, was zum verringerten Geräuschpegel von nur 72 dB(A) beiträgt.

„Die Nebenzeiten für den Transport der Werkstücke innerhalb der Arbeitskammer reduzieren sich durch die innovative Prozesstechnik ebenfalls spürbar. So lassen sich in Verbindung mit dem modularen Schleusenkonzept anforderungsgerechte Reinigungsergebnisse in Taktzeiten ab 30 Sekunden erzielen“, heißt es aus dem Unternehmen. Michael Stöcker

Auf Erfolgskurs

Olaf Daebler, Geschäftsleiter für die Parts2Clean bei der Deutschen Messe AG.

Auf der 13. internationalen Leitmesse Parts2Clean die für industrielle Bauteil- und Oberflächenreinigung vom 9. bis 11. Juni 2015 werden mehr als 250 Aussteller aus 14 Ländern Produkte und Dienstleistungen entlang der gesamten Prozesskette der Teilereinigung auf dem Stuttgarter Messegelände ausstellen. Insgesamt belegen sie eine Nettoausstellungsfläche von rund 7.000 Quadratmetern mit einer deutlichen Flächenzunahme gegenüber den Vorjahren aus dem Ausland. Mit diesen Zahlen befindet sich die Messe weiterhin auf Wachstumskurs. „Die Parts2Clean 2015 wird die bisher größte und internationalste Messe seit Bestehen sein“, berichtet Olaf Daebler (Bild), der Geschäftsleiter für die Parts2Clean bei der Deutschen Messe AG.

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