Fahrerlose Transportsysteme übernehmen internen Warenverkehr

Ein fahrerloses Transportsystem auf dem Weg zum Gate, um ein bestücktes Transportgestell abzuholen. (Bildquelle: Jochen Kratschmer)

Zugegeben, zunächst ist es ungewohnt, sich in einer Fertigungsumgebung aufzuhalten, in der fahrerlose Transportsysteme die Intralogistik durchführen. Nahezu lautlos gleiten die Gestelle mit Kunststoffteilen vorbei, um wenige Augenblicke später am Bestimmungsort präzise platziert zu werden. Doch je länger man sich in dem Bereich bewegt und mit der Thematik beschäftigt, desto selbstverständlicher und nachvollziehbarer wird dieser automatisierte Prozess – gerade in Zeiten des voranschreitenden Fachkräftemangels.

Blick ins offene Werkzeug. Im Vordergrund der Entnahmeroboter, der auch für das Abzwicken der Angüsse verantwortlich ist. (Bildquelle: Jochen Kratschmer)

Der Automobilzulieferer Faurecia hat die Fertigung von dekorativen Black-Panel-Bauteilen für den Fahrzeuginnenraum in sein Produktportfolio aufgenommen. Im Werk Peine, das bisher in erster Linie Großteile wie Instrumententafeln fertigte, werden diese anspruchsvollen Bauteile hergestellt. Die Infrastruktur für diese Produktion war im Werk nicht vorhanden, sodass der Aufbau einer kompletten Prozesskette mit neuer Fertigungstechnik erforderlich war. Die Entscheidung für eine Vollautomatisierung wurde im Wesentlichen von zwei Gesichtspunkten beeinflusst: Der Wirtschaftlichkeit, um auch bei steigender Variantenvielfalt und der dadurch geringer werdenden Stückzahl pro Variante effizient fertigen zu können, und der Stärkung des Fertigungsstandorts Peine.

Vom Werkzeug bis zum lackierten Teil

Doch was beinhaltet für Faurecia der Begriff Vollautomatisierung? Andreas Dak, Program Manufacturing Leader, Faurecia Hagenbach, erläutert: „Für uns war klar, dass wir am Ende das fertig lackierte Bauteil zur Endkontrolle in Händen halten wollen. Vorher sollte kein Werker Hand anlegen. Das heißt für unseren Prozess, die Automatisierung beginnt mit der Teileentnahme aus dem Werkzeug und endet beim Beschicken des Kontrollplatzes und beinhaltet alle internen Handlings- und Transportschritte sowie das Be- und Entladen der Lackieranlage.“ Im Dezember 2016 begann die Planungsphase des Projekts. Im zweiten Quartal 2018 hat der Automobilzulieferer mit der Serienproduktion von Black-Panel-Bauteile begonnen.

3D-Lauyout der an den fünf Spritzgießmaschinen installierten Automatisierungszelle. (Bildquelle: SAR)

Das Unternehmen entschied sich für das Automatisierungskonzept von SAR Elektronik, Dingolfing, das in drei Abschnitte gegliedert ist: Spritzgießmaschine, Lackierung und Teilekontrolle. Im Spritzgießbereich übernehmen zwei ABB-Roboter die Aufgaben: Entnehmen des Bauteils und Angussbeschnitt, Übergeben an den zweiten Roboter zur Teilekennzeichnung mit Tintenstrahldrucker und die mechanische Entgratung, falls notwendig. Anschließend legt er die Teile in eine Schublade, wenn der Maschinenbediener eine visuelle Bauteilkontrolle durchführen möchte. Wird kein Teil zur Kontrolle angefordert, so bestückt er die Teileaufnahmen (Jigs). Ist ein Jig‘s gefüllt, so belädt er damit das Transportgestell und entnimmt die nächste Aufnahme zum Bestücken. Sind die zehn Ebenen des Trolleys bestückt, so erhält das fahrerlose Transportsystem (FTS) von der SAR-Steuerung die Information, den Trolley abzuholen und einzulagern.

Durchdachte Details

Der Roboter legt die Jigs mit den lackierten Teilen zurück in den Transportwagen. (Bildquelle: Jochen Kratschmer)

Die Teileaufnahmen dienen zum Transport und als Lackieraufnahme. Sie besitzen einen Alurahmen als Träger und einen schwimmend gelagerten Kunststoffaufsatz für die Teileaufnahme. Die Aufnahme- und Rastpunkte der Aufsätze sind individuell auf die 19 hergestellten Black-Panel-Bauteile abgestimmt, ihre Außenmaße von 100 cm x 100 cm sind jedoch gleich. Es ist vorgesehen, die Alurahmen regelmäßig beim Erreichen der kritischen Lackstärke zu reinigen. Die Kunststoffaufsätze werden nach Bedarf ausgetauscht, da sie bei jedem Durchlauf mitlackiert werden. Sobald die Fixierung der Bauteile für das Handling oder die Lackierung nicht mehr ausreichend ist, werden diese ersetzt.

Der Roboter versorgt den Kontrollplatz der lackierten Teile mit Jigs. (Bildquelle: Jochen Kratschmer)

An der Lackieranlage sind drei weitere ABB-Roboter in Betrieb. Einer entlädt die Trolleys und setzt immer zwei Jig‘s auf dem Lackierrahmen der Lackieranlage ab. Nach der Teilelackierung führt er die umgekehrten Prozessschritte durch. Ein über Kopf befestigter Roboter übernimmt das Be- und Entladen der Flachbettlackieranlage mit den Lackierrahmen. Der Dritte im Bunde versorgt den Bauteilkontrollplatz mit Jigs. Das heißt, er entnimmt ein mit lackierten Teilen bestücktes Gestell aus dem Trolley und legt es zur Bauteilkontrolle ab. Bei der Kontrolle durch den Werker werden die Bauteile von der Aufnahme entnommen und anschließend in die Transportverpackung eingelegt. Die nun leere Teileaufnahme wird vom Roboter wieder zurück in den Trolley gelegt und der mit leeren Jigs bestückte Transportwagen vom FTS ins Lager gebracht.

Simulation – wichtiges Instrument

Um die komplexen Abläufe automatisierter Prozesse planen und Prozesszeiten ermitteln zu können ist eine Simulation im Vorfeld erforderlich. Die fünf Spritzgießmaschinen stellen alle 60 bis 85 Sekunden ein bis zwei Teile bereit, die bis zum nächsten Zyklusende bearbeitet sein müssen. Deshalb hat SAR die gesamten Roboterabläufe im Vorfeld hinsichtlich Reichweiten, Abläufe, Zykluszeit sowie Störkonturuntersuchung simuliert. „Wir arbeiten mit Solid Works, das uns bereits in der Konzeptphase solch komplexer und zeitkritischer Projekte die Möglichkeit bietet, mit dem Kunden Details sowie heikle Punkte zu besprechen“, erläutert Michael Neumeyer, Projektleiter SAR. „Im ABB Robot Studio wurden anschließend die Abläufe und Taktzeiten genauer untersucht. Aus diesen Ergebnissen wurden Offlineprogramme generiert, die eine schnellere Inbetriebnahme sicherstellen.“ Auch Andreas Dak sieht die Simulation als wichtiges Instrument: „Es ist notwendig von allen Komponenten 3D-Daten zu haben. Dies ist nicht nur wichtig, um die Projektumsetzung zu beschleunigen, sondern auch, um die benötigte Kapazität der Anlagen sicher zu stellen.“

Transport wie von Geisterhand

Im Vordergrund ist ein Rundelement zu sehen, das dem FTS als Orientierungshilfe im Raum dient. Am Fuß des Transportgestells ist der DM-Code für dessen Identifizierung zu Erkennen. Das grüne Band erleichtert dem Werker die Zuordnung des Gestells. Dies und die Kennzeichnung des Stellplatzes waren während der Hochfahrphase relevant. (Bildquelle: Jochen Kratschmer)

Für den Transport der Teile werden fahrerlose Transportfahrzeuge von Grenzebach, Asbach-Bäumenheim Hamlar, eingesetzt. Die Wahl fiel auf das fahrerlose Transportsystem L1200S, das eine integrierte Personensicherheits-Sensorik besitzt, die einen Einsatz in innerbetriebliche Umgebungen ermöglicht. Zwei Laserscanner erfassen jegliche Hindernisse auf der Fahrstrecke und stoppen den Wagen unmittelbar. Dies ermöglicht, dass sich die Fahrzeuge „frei“ in der Fertigung bewegen. Die Signale der Sicherheitsscanner werden auch zur Navigation der Systeme verwendet. Hierzu wurden an markanten Stellen im Bewegungsfeld der FTS Leitbleche und Reflektoren installiert. Anhand der remittierten Signale werden die Umgebungsmerkmale permanent ausgewertet und Lage sowie Position des Fahrzeugs bestimmt.

Das FTS beim Bestücken eines Gates. (Bildquelle: Jochen Kratschmer)

Die Systeme können maximale Lasten von 1,2 t bewegen. Mit seiner Höhe von 340 mm unterfährt das FTS die Last, hebt diese an und transportiert sie auf freier Strecke mit einer Maximalgeschwindigkeit von bis zu 1,2 m/s ans Ziel, wo er sie millimetergenau abstellt. Jedes der sechs Fahrzeuge besitzt einen Flottenmanager, in dem eine virtuelle Karte der Produktionsumgebung hinterlegt ist. Wird von einer Anlage ein FTS angefordert, so macht sich immer das am nächstgelegene auf den Weg, um das bis zu 2,4 m hohe Gestell abzuholen oder zu bringen. Die Mitarbeiter der Produktion freuen sich über die neuen Kollegen, die den Teiletransport übernehmen. Anfangs war es sehr ungewohnt, inzwischen arbeiten die Parteien gut zusammen.

Kommunikation ist entscheidend

Die Benutzeroberfläche ermöglicht eine einfaches Bedienen sowie ein schnelles und einfaches Beheben von Störungen. (Bildquelle: Jochen Kratschmer)

Die Aufgabe des Automatisierers ist es, dass sich die Bauteile zur rechten Zeit am rechten Ort befinden. Die Ablaufsteuerung der Anlagen untereinander sowie die Bauteilinformationen auf Jig-Ebene zum Warehouse-Control-System werden über Profinet ausgetauscht. Erweiterte Bauteilinformationen werden über RFID weitergegeben und die Trolleys werden über einen Data-Matrix-Code am Gate identifiziert. Der Roboter zur Teileentnahme aus dem Werkzeug kommuniziert über eine Euromap 67 Schnittstelle mit der Engel Spritzgießmaschine.

Andreas Dak erläutert Jürgen Schwarz, SAR Group, und Simone Fischer, Plastverarbeiter, das Greiferkonzept für die Black-Panel-Bauteile. (Bildquelle: SAR)

Doch wie läuft der Prozess nun ab? Die Spritzgießmaschine ist gerüstet und startbereit. An der Benutzeroberfläche der Automation wird das Programm des zu fertigenden Bauteils ausgewählt. Das FTS erhält diese Information und holt aus dem Trolleylager ein zugehöriges Gestell. Beim Einfahren des Trolleys in das Gate an der Maschine wird zuerst anhand des Datamatrix-Codes und  anschließend der RFID auf dem Jig überprüft, ob es sich um das passende Gestell handelt. Anschließend wird es eingefahren und über Scanner exakt positioniert. In Richtung Handlingszelle öffnet ein Schnelllauftor und die Entnahme der Jigs zum Bestücken kann erfolgen. Zwischenzeitlich wird in das zweite Gate ebenfalls ein Trolley eingefahren, damit ein fliegender Wechsel möglich ist. Volle Gestelle werden von den Transportsystemen an den vorgesehenen Stellplätzen eingelagert. Dieser Ablauf wiederholt sich, bis das Fertigungslos abgearbeitet ist. Parallel läuft auch die Lackierung von Bauteilen. Die Entnahme der Gestelle aus dem Lagerbereich erfolgt nach dem first-in-first-out-Prinzip.

Inbetriebnahme erfolgt

Mit der Produktion und Lackierung der Black-Panel-Bauteile wurde im zweiten Quartal 2018 begonnen. Die Automatisierung übernahm von Beginn an das Teilehandling. Der Probebetrieb des automatisierten Transportsystems wurde Mitte März abgeschlossen und im April 2019 fand die Endabnahme statt. „Dieses komplexe System in solch kurzer Zeit umzusetzen war herausfordernd. Wir mussten alle Schnittstellen zwischen den verschiedenen Prozessen stets im Auge behalten und validieren. Denn Automation erfordert ein perfektes Umfeld, da jede noch so kleine Abweichung kann das System zum Stehen bringen“, führt Andreas Dak aus.

Nachdem die vollautomatisierte Produktion nun läuft, stehen Schritt zwei und drei an. Zunächst wird die automatische Bestandsführung in das SAP-System implementiert bevor als letzter Schritt das Thema Big Data kommt. Anfang kommenden Jahres wird der Hochfahrpozess endgültig abgeschlossen sein, ist Dak überzeugt.