Bereits 2015, als Audi einmal mehr die Auszeichnung ‚Werkzeugbau des Jahres‘ erhielt, welche federführend vom Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) vergeben wird, hob die Jury die herausragende Entwicklung und die teilweise Realisierung einer durchgängigen digitalen Prozesskette hervor. Ziemlich genau ein Jahr später hat Audi einen weiteren entscheidenden Schritt auf dem Weg zum Werkzeugbau 4.0 vollzogen. Die Ingolstädter ersetzen manuell zu bedienende Radialbohrwerke durch eine komplett in den Fertigungsprozess integrierte Roboteranlage.

Worum es dabei geht, erläutert Gereon Heidrich, Leiter Maschinentechnik im Kompetenz-Center: „Für das Einbringen der Entlüftungsbohrungen in Umformwerkzeuge kamen bislang Radialbohrwerke zum Einsatz. Die Nachteile dabei: Das Verfahren ist mit den vorhandenen Maschinen nicht automatisierbar, zeitintensiv und mit hohem Personalaufwand verbunden. Und es passt nicht zum Konzept Werkzeugbau 4.0, bei dem die digitale Vernetzung aller Prozessschritte Programm ist.“

Nach eingehender Analyse aller möglichen Bearbeitungsalternativen entschied man sich bei Audi für ein Konzept, nach dem künftig ein Industrieroboter die Tieflochbohrungen und im späteren Projektverlauf auch Passbohrungen und Gewindeschneidprozesse an den Umformwerkzeugen ausführen sollte. An der Realisierung des zukunftsweisenden Projektes hatten die Audi-Verantwortlichen keine Zweifel: „Wir verfügen bereits seit 2011 über positive Erfahrungen mit einer eigenentwickelten Robotiklösung bei der Bearbeitung von Entlüftungsbohrungen in Graugusswerkzeugen. Das hat uns von der Machbarkeit unserer Idee überzeugt“, so Juliane Kollecker, Projektleiterin, Abteilung Neue Geschäftsfelder Automatisierungstechnik im Kompetenzcenter.

Allerdings teilten die zunächst angefragten Anlagenbauer diese Ansicht nicht. Die Anforderungen seien für die Roboterbearbeitung zu anspruchsvoll und würden zu viele Unwägbarkeiten beinhalten, hieß es. Letztendlich fand sich mit Robot-Machining aus Seligenstadt ein erfahrener Anlagenbauer, der sich die Erprobung und anschließend die Realisierung der Aufgabenstellung zutraute. Das Unternehmen hat sich auf Entwicklung, Konstruktion und Produktion schlüsselfertiger Roboterbearbeitungszentren spezialisiert und erstellte in enger Zusammenarbeit mit dem Kompetenz-Center ein Anlagenkonzept samt Prozesstechnologie, Spannvorrichtung sowie Bearbeitungstechnik.

Wie viel Know-how in dem Roboterbearbeitungszentrum steckt, zeigt sich beim Vor-Ort-Termin in Ingolstadt. Auf der rund acht Meter langen und sieben Meter breiten Anlage  lassen sich Umformwerkzeuge aus Stahl- oder Grauguss bearbeiten. Die Werkzeug-Abmessungen können bis zu 4500 mm × 2500 mm × 1000 mm bei einem Gewicht von bis zu 20.000 kg betragen. Das Einbringen der tonnenschweren Werkzeuge in die Zelle ist elegant gelöst: Der An- und Abtransport erfolgt über das Dach der Sicherheitseinhausung, das sich auf Knopfdruck öffnen lässt. 

Der ‚Herr‘ in der Zelle ist ein Roboter von Stäubli, der über eine 37 kW starke Bearbeitungsspindel verfügt, deren Drehzahl bei maximal 16.000 Umdrehungen liegt. Die Tragkraft des Sechsachsers liegt bei nominal 100 kg bei einer Reichweite von 2194 mm. Ein beachtlicher Wert, der aber dennoch nicht ausreicht, um alle Bearbeitungspositionen anfahren zu können, weshalb der Roboter auf einer Verfahrachse positioniert wurde.

Warum gerade dieser Roboter zum Einsatz kommt, bringt Bernd Luckas, Vertriebsingenieur bei Robot-Machining auf den Punkt: „Mit dem Stäubli TX200 konnten wir in der Prozess-Erprobung auf Anhieb die geforderte Präzision erreichen. Wir wählten auch ganz bewusst nicht den TX200L mit Armverlängerung, sondern den TX200, weil dieser mit einer Wiederholgenauigkeit von ±0,06 Millimeter noch präziser und steifer ist. Deshalb nahmen wir den Nachteil der geringeren Reichweite in Kauf.“ Ein Umstand, der bei der Bearbeitung besonders großer Presswerkzeuge deren Umorientierung erforderlich macht, da der Roboter selbst über die Verfahrachse nicht alle Bearbeitungspositionen erreichen kann. 

Was heute im Falle einer Werkzeug-Umorientierung mit Neuvermessung die Durchlaufzeiten erhöht, könnte sich ­morgen ins Gegenteil verkehren. Im Anlagenlayout ist bereits der Einsatz eines zweiten Stäubli TX200 innerhalb des Bearbeitungszentrums vorgesehen. Dieser Roboter soll auf der gegenüberliegenden Seite von Roboter 1 – ebenfalls auf einer Verfahrschiene montiert – zum Einsatz kommen. Damit ließe sich jedes Werkzeug in einer Aufspannung komplett bearbeiten und die Durchlaufzeiten weiter verkürzen.

Vor dem Bohren steht die Kalibrierung

Bevor der Roboter mit dem Einbringen der Tieflochbohrungen beginnt, steht die exakte Kalibrierung des Umformwerkzeuges auf dem Programm. Dazu greift sich der Roboter einen 3D-Messtaster aus dem Werkzeugmagazin und vermisst die exakte Position des Presswerkzeugs. Nach dem Offline-Abgleich mit den errechneten Bohrungspositionen erfolgt noch eine letzte Simulation aller Arbeitsschritte durch den Bediener, ehe die Bohrbearbeitung beginnt.

Beim Tieflochbohren überzeugt der Sechsachser mit exaktem Bahnverhalten und hoher Steifigkeit. Eine Verfahrachse erweitert den Arbeitsbereich des Roboters erheblich.

© Audi

Pro Werkzeughälfte sind zwischen 70 und 80 Entlüftungsbohrungen erforderlich. Die Ausführung einer Tieflochbohrung setzt sich aus drei Phasen zusammen, dem sogenannten Anspiegeln, einer 30 mm tiefen Pilotbohrung sowie der abschließenden Tieflochbohrung mit Durchmessern von 4 bis 8 mm. Die Besonderheit dabei: Der Linearvorschub bei dem Tieflochbohrprozess erfolgt durch den Roboter. „Das heißt, der Roboter setzt aktiv die bis zu 120 Millimeter tiefen Entlüftungsbohrungen. Das setzt ein exzellentes Bahnverhalten und eine entsprechende Steifigkeit voraus“, so Juliane Kollecker.

Ein automatisches Werkzeugwechselsystem erlaubt es dem Roboter, sich mit allen benötigten Werkzeugen aus dem Werkzeugmagazin selbst zu versorgen. Sogar die komplette Bearbeitungsspindel kann er bei Bedarf gegen andere Endeffektoren an einer Wechselstation tauschen. Diese Lösung sorgt für ein Höchstmaß an Flexibilität und Automatisierung.

Durchgängig digitale Prozesskette

Höchste Präzision gefragt: der Roboter bei einer Messbohrung.

© Audi

Weiterer entscheidender Vorteil: Die Positionen für die Entlüftungsbohrungen werden heute bereits bei der Werkzeugauslegung im CAD-System festgelegt und lassen sich ohne zusätzlichen Aufwand in das Offline-Programmiersystem des Roboterbearbeitungszentrum übernehmen. Die digitale Vernetzung trägt entscheidend zur Reduzierung der Durchlaufzeiten bei, wie Lisa Dilg, Projektleiterin seitens der Maschinentechnik, erklärt: „In der Vergangenheit mussten wir die Positionen für die Entlüftungsbohrungen vor Ort festlegen und mit den manuell zu bedienenden Bohrwerken einbringen. Mit dem digitalen Prozess entfällt dieser Aufwand komplett, sodass wir insgesamt eine Reduzierung der Durchlaufzeiten von rund 60 % erreichen.“

Nach der Integration dieser Prozesse sind die noch vorhandenen Lücken im Hinblick auf die digitale Vernetzung aller Prozessschritte weitgehend geschlossen. Für das Kompetenz-Center rückt damit das übergeordnete Ziel der kompletten Simulation ganzer Prozessketten in greifbare Nähe. Vernetzte Systeme sollen künftig die adaptive Feinsteuerung der Kapazitäten und damit eine noch effizientere Produktion ermöglichen.

Autor: 
Ralf Högel ist freier Autor aus Stadtbergen.