Ausgangspunkt für die neue Bonding-Lösung war ein konkretes Anwenderproblem: Bei einem Hersteller von Komponenten für die BauIndustrie werden Multiplex-Platten in Stahlrahmen eingenietet und manuell mit 1-Komponenten-Material ausgefugt. Die gängigen Spaltmaße beim Einpassen der Multiplex-Platten bewegen sich zwischen 2 und 7 mm – zu viel, um diese Spalte mittels  konventioneller Automatisierung prozesssicher abdichten zu können. Denn bei einer normalen Dosieranlage müssen die Bauteile mit einer hohen Präzision gefertigt werden, das heißt, die Spaltmaße müssten immer nahezu gleich sein. Der hierfür notwendige Präzisionsgrad ist allerdings mit herkömmlichen Anlagen zur Herstellung der Multiplex-Platten nicht realisierbar und auch ein nicht automatisiertes, sprich manuelles Ausfugen kam aufgrund der erheblich höheren Kosten nicht in Frage.

Ergo sollte eine alternative Lösung gefunden werden, um einerseits die Durchsatzmengen zu erhöhen und andererseits den Materialeinsatz zu optimieren beziehungsweise gleichzeitig den Aufwand für Nachbearbeitung der Fugen zu minimieren. Mit diesen Vorgaben beauftragten die Verantwortlichen die Firma Yaskawa mit der Entwicklung einer neuartigen Klebe-Anlage. Die drei Kernkomponenten der Anlage, die Yaskawa zunächst als Technikumsanlage umsetzte und erprobte, sind ein Sechsachs-Roboter vom Typ Motoman MH50 mit einer Reichweite von über zwei Metern bei 50 kg Traglast, eine hochdynamische Dosieranlage sowie eine spezielle Sensorik. Hochdynamisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Klebstoffmenge pro Zeiteinheit innerhalb von Sekundenbruchteilen präzise innerhalb der Leistungsbandbreite vom 1 % bis 100 % der maximalen Austragsmenge verändert werden kann.

Konkret handelt es sich bei der Sensorik um einen Laser-Liniensensor, der über eine Inline-Messung der Spaltmaße die Voraussetzung für die Regelung des komplexen Prozesses schafft. Nur wenige Millimeter vor der Dosierdüse installiert, tastet dieser Sensor dafür kontinuierlich das Profil des Spaltes ab und überträgt die erfassten Daten direkt zur Robotersteuerung. Anders als bei vergleichbaren Anlagen werden die optischen und prozessrelevanten Signale hier direkt verarbeitet. Je nach konkreter Anwendung sind verschiedenste spezialisierte Sensor-Typen und -Modelle einsetzbar.

Parallel zur Erfassung der Profilgestalt müssen unterschiedliche Parameter – allen voran die Verfahrgeschwindigkeit des Roboters und die Dosiermenge – in Echtzeit gesteuert und aufeinander abgestimmt werden. Entscheidend ist dabei, dass die jeweilige Dosiermenge in Abhängigkeit des zu füllenden Spaltes erfolgt. In einen breiten beziehungsweise tiefen Hohlraum dosiert das System automatisch mehr Klebstoff als in einen kleineren. Die Maschine reagiert also interaktiv auf das vorgegebene Produkt.

Aus diesem grundsätzlichen Prozessablauf ergeben sich zwei Möglichkeiten für mehr Effizienz und optimierte Prozesszeiten: eine variable Ausflussrate bei konstanter Geschwindigkeit des Tool Center Points (TCP) oder eine gleichbleibende Ausflussrate bei entsprechend variabler Geschwindigkeit. Bei beiden Möglichkeiten lässt sich eine große Bandbreite an mittel- bis hochviskosen 1K-Materialien verarbeiten.

Die Steuerung – ein komplexes Unterfangen

Die Komplexität der Abläufe stellt besondere Anforderungen an die eingesetzte Steuerungstechnik. Herzstück der Anlage ist, wie bereits erwähnt, die Motoman-Robotersteuerung DX100. Bei der Steuerung des Prozesses greifen mehrere Regelkreise ineinander. Großen Wert hat Yaskawa dabei auf eine hardwaremäßige Technologie-Trennung von Roboter- und Dosieranlage gelegt. Der Grund: Beide beinhalten jeweils ein Höchstmaß an Know-how und werden daher im Sinne einer maximalen Performance getrennt behandelt. Dies setzt eine leistungsfähige Kommunikation voraus, die den Anforderungen des Systems gerecht wird: Beide Technologien sind über eine definierte Schnittstelle verknüpft.

Auf der Robotersteuerung läuft eine spezifische Bonding-Software, genannt MotoBond. Diese ermöglicht über das Handgerät, mit dem alle Motoman-Roboter programmierbar sind, eine einfache und schnelle Konfiguration des Dosiersystems. Dabei können mehrere tausend Profile für bis zu vier unterschiedliche Dosierer eingerichtet und wieder angerufen werden. 

Die Software MotoBond läuft auf dem Bedienhandgerät und ist speziell für Klebe-Applikationen entwickelt. Mit ihr wird die Applikation konfiguriert, verwaltet und überwacht. Die intuitive Bedienung vereinfacht zudem das Inbetriebnehmen der Klebe-Applikation.

© Yaskawa

Das direkt am Roboter montierte Dosiersystem der Firma Hilger u. Kern besteht aus der Dosiereinrichtung mit Dosierpumpe, Volumenzähler und Auftragskopf. Der Dichtstoff wird mittels Fasspumpe über eine Leitung direkt dem Dosiersystem zugeführt. Durch einen entsprechenden Servoantrieb kann sich das System innerhalb von Millisekunden der Ausflussrate anpassen. Das Ergebnis: Eine Verfahr-Geschwindigkeit von über 100 mm pro Sekunde und eine absolut glatte, nacharbeitsfreie Oberfläche.

Durch den modularen Aufbau der Dosiertechnik ist mit der neuartigen Anlage eine große Bandbreite von Applikationen realisierbar: Epoxide, Polyurethane und MS-Polymere lassen sich ebenso prozesssicher verarbeiten wie Polysulfide und Silikone. Bei den Ausflussraten sind je nach Dosierergröße 120, 600 oder 1500 cm3 pro Minute bei einer Leistungsbandbreite von 1 bis 100 % möglich. Auch was den eingesetzten Roboter betrifft, ist die Anlage flexibel an die Größe der Bauteile und die Rahmenbedingungen anpassbar.

Grundsätzlich eignet sich das beschrieben Verfahren zum Verfugen unterschiedlichster Werkstoffe – von Glas über Kunststoff und Metall bis hin zu holzbasierten Werkstücken. Somit sind jetzt auch Klebe- und Dichtaufgaben automatisierbar, die bisher aufgrund undefinierter Spaltmaße nicht möglich waren – zum Beispiel in der Möbelindustrie oder anderen handwerksnahen Branchen. Oder aber es lässt sich eine kostenintensive Präzisionsfertigung bei einer Reihe von Applikationen vermeiden, wodurch sich entsprechende Einsparpotenziale ergeben. Auf jeden Fall ist durch die Automatisierung des Prozesses sichergestellt, dass auch bei einer großen Bandbreite an Toleranzen am Ende stets dasselbe Ergebnis steht.

Eine entscheidende Rolle bei der anwendungsspezifischen Umsetzung einer solchen Bonding-Lösung spielt die Detektion der Spaltgeometrie. Diese Aufgabe ist gerade bei wechselnden Oberflächen und Materialien teilweise höchst diffizil. Deshalb sind im Vorfeld produktspezifische Testanwendungen empfehlenswert, wie sie Yaskawa in seinem unternehmenseigenen Technikum im europäischen Robotics-Zentrum in Allershausen bei München umsetzt.

Autoren: Constantin Bader ist Applikationsingenieur bei Yaskawa,

Ralf Raimann ist Vertriebsmitarbeiter für Systeme und Roboter im Kompetenzfeld Bonding bei Yaskawa.