Steter Tropfen höhlt den Stein – dieses Prinzip nutzt die Firma KMT Robotic Solutions mit ihren Hochdruck-Wasserstrahlschneidsystemen. Während konventionelle Hochdruck-Wasserstrahlanlagen in Portalbauweise nur plane Schnitte aus plattenförmigen Materialien ermöglichen, ist das Unternehmen aus Wetzlar in der Lage, auch komplexe räumliche Geometrien zu bearbeiten. Möglich wird dies durch den Einsatz hochflexibler Industrieroboter.

Mit Drücken bis zu 4100 bar tritt bei den Anlagen von KMT ein nur wenige Zehntelmillimeter dünner Wasserstrahl aus der robotergeführten Düse. Die Austrittsgeschwindigkeit erreicht dabei das Zwei- bis Dreifache der Schallgeschwindigkeit. Damit verbunden ist eine sehr hohe kinetische Energie, die den Wasserstrahl zu einem schnell, präzise und wirtschaftlich arbeitenden Schneidwerkzeug macht. Die Trennschnitte erfolgen staubfrei und ohne thermische oder mechanische Beeinträchtigung der zu bearbei-tenden Materialien. Vor allem beim Zuschneiden komplex geformter Schall-Isolationen, von Dachhimmeln, Bodenteppichen und Kofferraum-Auskleidungen aus Textilien oder Kunststoffen, aber auch beim Bearbeiten von Heckklappen aus faserverstärkten Kunststoffen, wie SMC (Sheet Molding Compound), hat sich das Verfahren etabliert.

Je nach Aufgabenstellung und Größe der zu bearbeitenden Bauteile installiert KMT bis zu vier Sechsarm-Industrieroboter vom Typ IRB 2400 des Herstellers ABB in eine Roboterzelle. Die hängend montierten Roboter haben störkonturfreien Zugang zu allen Oberflächen der zu bearbeitenden Bauteile. Optional lassen sie sich auch an einer zusätzlichen Linearachse über dem Arbeitsbereich anbringen, um auch größere Bauteile bearbeiten zu können.

Wie bei allen Roboteranwendungen ist auch bei KMT die Programmierung das A&O für einen effizienten Robotereinsatz. Mussten Anwender früher noch profunde Kenntnisse in komplizierten Programmiersprachen zum Codieren von Robotersteuerungen haben und viel Zeit in das Programmieren der Bewegungsbahnen investieren, so reicht bei den von KMT eingesetzten Robotern heute einfaches „Teachen“. Das heißt: Der Verarbeiter führt den Roboterarm von Hand an die wichtigsten Stützpunkte des zu bearbeitenden Bauteils und gibt an den einzelnen Bearbeitungspositionen die jeweils erforderlichen Arbeitsanweisungen ein. Auf Basis dieser Daten generiert die Software dann selbstständig das zugehörige Steuerungsprogramm.

Kooperierende Roboter ermöglichen deutlich kürzere Bearbeitungszeiten beim 3D-Hochdruck-Wasserstrahlschneiden.

© ABB

So einfach und elegant die Methode auch ist – sie hat einen entscheidenden Nachteil: Während des Teachens kann der Roboter nicht produzieren. Deshalb setzt KMT hier auf Offline-Programmierung. Das heißt: Während der reale Roboter weiter produziert, erstellt der Bediener am PC rein virtuell das nächste Anwendungsprogramm auf Basis vorhandener 3D-CAD-Daten. Zudem kann er das Programm vor dem Einspielen in die reale Robotersteuerung anhand umfangreicher Simulationen auf eventuelle Fehler prüfen und diese beseitigen. Das führt laut Frank Thorn, Geschäftsführer bei KMT Robotic Solutions, zu einer deutlich höheren Maschinen- und Anlagenausnutzung, zu niedrigeren spezifischen Anlagenkosten, kürzeren Programmierzeiten und einer präziseren Produktionsplanung. Weiter speichert die Software optional alle aktuellen Produktions- und Anlagendaten der Roboterzelle. Dieser Aspekt gewinnt heute im Rahmen des Qualitätsmanagements und der Rückverfolgung von Aufträgen immer mehr an Bedeutung.

Beim 3D-Wasserstrahlschneiden kommt es aber nicht nur auf das Führen der Düsen an. Die zu bearbeitenden Werkstücke müssen zudem auf geometrisch angepassten Schneidaufnahmen fixiert sein. Diese Schneidaufnahmen entwickelt, optimiert und fertigt KMT auf Basis der vom Kunden bereitgestellten 3D-CAD-Produktdaten.  Auch dabei helfen umfangreiche Simulationen an virtuellen Schneidaufnahmen, wertvolle Zeit zu sparen und kostenintensive Nacharbeit an den realen Modellen zu vermeiden. Weiter ermittelt KMT die späteren Produktionsdaten, Zykluszeiten sowie optimalen Bearbeitungswinkel und stellt sie dem Kunden als CAD-File zur Verfügung.

Kleinteile-Zuführung mit integrierter Qualitätskontrolle

Der IRB 360 mit integriertem Pick-Master sorgt bei der Zahnbürsten-Herstellung für eine höhere Ausbringung gegenüber konventionellen Sortiertechniken. Aktuell erreicht das System 70 Teile pro Minute.

© ABB

Mit rund 600 Mitarbeitern an neun Standorten entwickelt und produziert die Firma Zahoransky Spritzgießwerkzeuge, Blisterverpackungsmaschinen sowie Maschinen und Anlagen für die Fertigung von Besen, Industrie- und Haushaltsbürsten sowie für Zahnbürsten. Bei letzteren können sich die Verbraucher heute die für sie ideale Zahnbürste aus einem riesigen Sortiment aussuchen: große, kleine, dicke oder dünne Zahnbürsten, mit geriffelten oder glatten Griffen, kurzen oder breiten Bürstenköpfen. Weiter können sie unterschiedliche Qualitäten hinsichtlich Länge und Härte der Borsten sowie Farbe und Design wählen – und stetig kommen neue Modelle hinzu.

Die steigende Variantenzahl führt beim Hersteller jedoch zu abnehmenden Losgrößen und damit zu einem erhöhten Aufwand für Umrüst-Arbeiten bei Produkt- und Formatwechseln. Vor allem die Zuführsysteme konventioneller Produktionsanlagen stellen unter diesen Bedingungen einen kritischen Engpass dar, da die Anlagen für den Austausch der vielen Maschinenteile oft mehrere Stunden stillstehen müssen. Genau hier setzten die Entwicklungsingenieure von Zahoransky an. Sie beauftragten den Systemintegrator Robomotion aus Stuttgart mit der Konzeption und dem Bau einer bildgesteuerten Roboterlösung.

Robomotion-Geschäftsführer Dr. Andreas Wolf wählte als Basis einen Deltaroboter vom Typ FlexPicker IRB 360 inklusive PickMaster (System- und Prozess-Software für alle ABB-Roboter in Verpackungslinien). Das Programm eignet sich darüber hinaus für robotergestütztes Handling in der Fertigung sowie für das Sortieren von Produkten innerhalb verketteter Prozesse. Hierzu verfügt es über Kameraschnittstellen und eine Bandfolgesteuerung zur Synchronisation der Roboter mit kontinuierlich oder diskontinuierlich laufenden Förderbändern. Aus den von der Kamera erfassten Positions-, Form- und Lagedaten erstellt PickMaster die erforderlichen Roboterbahnen und steuert darüber hinaus die Greifwerkzeuge für präzises Pick&Place der Zahnbürstenrohlinge. Durch Bildvergleich kann die Software die optischen Qualitätsmerkmale der Produkte hinsichtlich Formgenauigkeit oder Unversehrtheit beurteilen.

Der Prozess selbst läuft wie folgt: Die nach Art sortierten Bürstenrohlinge kommen als Schüttgut in das Zuführsystem. Hier nimmt der kameragesteuerte Deltaroboter ausschließlich fehlerfreie Rohlinge vom Band und fixiert sie in Halterungen für den anschließenden Bestopfungsprozess, bei dem die Bürstenköpfe ihre Borsten erhalten. Von der Bildverarbeitung als fehlerhaft erkannte Teile ignoriert der Roboter und lässt sie auf dem Förderband zur Ausschleusungsstation durchlaufen. Mit 70 Teilen pro Minute ist die Ausbringung im Vergleich zu früher um ein Vielfaches höher – und dabei sind längst noch nicht alle Reserven ausgereizt. Für Zahoransky ist die Umstellung jedoch schon jetzt ein voller Erfolg, da die stundenlangen Maschinenstillstände während des Umrüstens auf neue Muster der Vergangenheit angehören und die Anlagen eine deutlich höhere Produktivität erreichen.

Für ein anwenderfreundliches Arbeiten sorgt bei Zahoransky die windowsbasierte Bedienoberfläche. Statt aufwendig zu programmieren, genügt ein nahezu intuitives Parametrieren der Software. Das stellt eine erhebliche Arbeitserleichterung dar, da die Bediener hierzu keine Kenntnisse höherer Roboterprogrammiersprachen benötigen.