Automatisierte Fertigung robuster Mehrkomponenten-Teile für den Motorraum

Das Motto der drei Musketiere gilt auch für die modulare Bauweise: Einer für alle und alle für einen. So auch für die Plattform UKL für kompakte Front- und Allrad-getriebene Pkws von BMW. Diese ist die Basis für drei Fahrzeug-Modelle der Baujahre 2014, den Mini Cooper, den Mini Countryman und den 2er Active Tourer, BMWs erster Fronttriebler. Weitere Modelle sollen in den nächsten Jahren folgen. Mittelfristig will der Autohersteller 900.000 Fahrzeuge pro Jahr auf UKL-Basis herstellen.

Ein schweizer Kunststoffverarbeiter, Weidmann Plastics Technology, mit Sitz in Rapperswil, liefert dazu drei Bauteile: die jeweils zweite Stirnwand des Motorraums oben und unten sowie die seitliche Batterieeinhausung. Alle drei bestehen aus Polypropylen (PP) mit 10-prozentigem Glaserfaser-Anteil, verbunden mit PUR-Schaum und einer Aluminium-Kaschierung. Dazu kommt eine eigens entwickelte Befestigungslösung für die Bauteile im Motorraum. Da zu dem sehr komplexen Aufbau der Bauteile weitere Anforderungen an die Anlage dazukamen, wie eine hohe Prozesssicherheit mit einer Gesamtanlageneffektivität von 85 Prozent, ein hohes Qualitätsniveau sowie hoher Anlagenverfügbarkeit, entschloss sich Weidmann früh, diese Produkte in einer vollautomatisierten Anlage herzustellen. Entwicklungs- und Umsetzungspartner war die Firma Engel, Schwertberg, Österreich.

Bauteil und Anlage wachsen gemeinsam

Da das Produktionsvolumen durch die geplante Ausweitung der BMW-Plattform auf zusätzliche Fahrzeug-Modelle schrittweise ansteigen würde, musste auch die Anlage mitwachsen. Darum gestalteten die Projektbeteiligten die Anlage letztlich ebenso modular wie die Produkte, die sie herstellen sollte. Jörg Fuhrmann, Leiter Engel Automation Systems, fügt hinzu: „Das Ursprungskonzept sah komplett anders aus, bevor wir dann auf diese Drei-Maschinen-Lösung gekommen sind.“ Mit dem neuen Konzept lief zu Beginn eine Spritzgießmaschine des Typs Engel 1300 Duo. Im April 2014 kam eine Engel 1000 Duo dazu. Später, im Jahr 2015, wenn die Anlage das volle Produktionsvolumen erreicht, arbeiten drei Spritzgießmaschinen parallel. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, jede Ausbaustufe schrittweise zu verbessern. Fuhrmann bestätigt: „Bei diesem versetzten Invest können wir natürlich alle Optimierungen von der ersten ­Maschine in die zweite einfließen lassen und die Erkenntnisse daraus wiederum in die dritte.“

„Anlage 1 funktioniert bereits“, erklärt Marcel Stössel, Chef der Sparte „Industrial Engineering Automotive & Industrial“ bei Weidmann. Derzeit sind seine Abteilung sowie die Automatisierer von Engel aus Hagen und aus dem Stammwerk von Engel in Schwertberg, Österreich, mit der Integration der zweiten Maschine beschäftigt. „Jetzt müssen wir noch die Produktion der anderen Komponenten hochfahren, die nicht die Spritzgießmaschinen herstellen, um dann die Prozesse parallel zu fahren“, fügt Stössel hinzu. Das soll bis zum nächsten Jahr rund laufen. Das Produktions-volumen liegt dann rund dreimal so hoch wie mit nur einer Maschine – auch weil die Auslastung der Maschinen ansteigt. Damit liegen die Unternehmen im Zeitplan: „Wir möchten immer etwa ein Jahr oder wenigstens neun Monate voraus sein, damit wir alles testen können und die laufende Produktion nicht beeinflussen oder gar stören“, erläutert Stössel. Auf Volldampf läuft die Produktion ab 2016. Dann verwenden weitere BMW-Modelle die UKL-Plattform.

Bis dahin war es ein weiter Weg. Die Anlage im laufenden Betrieb schrittweise auszubauen, war schon eine sehr komplexe Angelegenheit, bei der alle Beteiligten Hand in Hand arbeiteten. Aber schon während der Projektentwicklung ergaben sich viele konzeptionelle Änderungen, die neben dem Anlagenkonzept auch das zu produzierende Bauteil betreffen. „Ganz wichtig ist bei so einem Projekt, dass man sich einlässt aufeinander, dass man sich gegenseitig auch zuhört und die Vorschläge eines anderen annimmt, und nicht auf dem beharrt, was man schon konkret im Kopf hatte. – Oder auf dem, was wir gegenüber BMW schon angeboten hatten“, erläutert Stössel die Zusammenarbeit mit Engel. Diese konzeptionellen Änderungen betrafen unter anderem das Befestigungskonzept der Teile im Motorraum. „BMW plante, die Aluminium-kaschierten PUR-Absorber mit Kunststoffdomen und Sicherungsscheiben zu befestigen, was natürlich Nachteile hat, gerade wegen der Hitzeentwicklung durch das Aggregat“, erklärt Stössel.

Der Kunststoffdom wäre der Hitze ausgesetzt gewesen und redoxiert, wodurch die Scheibe irgendwann hätte abfallen können. Darum haben Stössel und sein Team eine neue Befestigungs­methode entwickelt, um die Teile mittels Ultraschallschweißen zu verbinden. Die Aluminium-Kaschierung deckt ­dadurch das ganze Kunststoff-Bauteil ab und schützt dieses somit vor der Motorwärme.

Ein heikler Punkt war es, die Alu­kaschierung automatisiert auf dem Bauteil zu befestigen. Die Anforderung seitens BMW war, dass sich die beiden Elemente während der Betriebsdauer des Fahrzeugs keinesfalls voneinander trennen. Aufgrund der hohen Hitzebelastung der Bauteile im Motorraum schieden Klebeverfahren aus. Daher kamen die Unternehmen auf Ultraschallschweißen. Das Schweißen sollte sich aber erstens automatisieren lassen und zweites eine stoffschlüssige Verbindung von Grundteil und Kaschierung garantieren. Von der erwähnten Haltbarkeit ganz zu schweigen.

Zunächst holten sich die beiden Unternehmen Engel und Weidmann die Firma Herrmann Ultraschallschweißen, Karlsbad, ins Boot. Sie führte Scherversuche an handgeschweißten Vorserienteilen durch, um die Belastbarkeitsgrenze auszuloten und zu erhöhen. Diese Versuche liefen vielversprechend, weshalb sich die Unternehmen für das Verfahren entschieden.

IVP: ein Immerwährender Verbesserungs-Prozess

Der Aufbau der Anlagen für die drei Bauteile, die beiden Stirnwände und die Batterieumhausung, ist jeweils prinzipiell gleich und besteht aus fünf Modulen, inklusive zweier optionaler Prüfstationen: Eine Zweiplatten-Spritzgießmaschine (später zwei, noch später drei) stellt das Modul aus Glasfaser-verstärktem Polypropylen her – inklusive Einlegen der Gewindebuchsen für die spätere Befestigung der Bauteile. Ein in die Maschine integrierter Linear­roboter Viper 60 entnimmt das Bauteil und legt es auf ein Förderband. Danach käme die erste Prüfstation mittels Kamera, die derzeit aber nicht integriert ist. Fuhrmann erklärt: „Wir wollen nicht Qualität hineinprüfen, sondern wir wollen Prozesssicherheit haben.“ Eine Prüfstation verleite außerdem eher zu Verschwendung im Prozess, weil der Bediener sich darauf verlässt, dass die Kamera die Schlechtteile aussortiert, meint Stössel und fügt hinzu: „Wir verfahren hier nach dem Grundsatz, uns keinen Verband anzuziehen, bevor wir nicht wissen, dass wir tatsächlich bluten.“

An der nächsten Station, Modul drei, trägt ein Kuka-KR-16-Sechsachsroboter die selbstklebende PUR-Schaumdichtung auf. Darauf folgt ­Modul vier mit den Werkstückträgern für die Bauteile mit der Aluminium-Kaschierung. Dazu entwickelten die beteiligten Unternehmen Werkstückträger, die dem Linearroboter Viper 40 das Material präzise an der gleichen Stelle bereitstellen. So steht ein Magazin mit einer festen Anzahl an Teilen bereit, die für eine feste Anzahl an ­Zyklen ausreicht. Diese Planbarkeit ­erhöht die Prozesssicherheit. Zwei Easix-TX90-Sechsachsroboter verschweißen die Komponenten dann mittels Ultraschall miteinander.

Am Ende der Prozesskette ist es erneut möglich, einen Kamera-Prüfplatz einzurichten. Bisher besteht dafür allerdings ebenfalls kein Bedarf. Nach dem Ultraschallschweißen ist das Bauteil fertig und ein Werker entnimmt es vom Band, prüft und verpackt es. ­Dieser eine Werker ist übrigens der einzige Mensch, der an der laufenden Anlage dauerhaft aktiv ist. Ein weiterer füllt für zwei Anlagen gleichzeitig das ­Material auf. Stellt also neue Magazine bereit, legt Gewindebuchsen nach und so weiter. Damit laufen die Anlagen in drei Schichten, rund um die Uhr, durchgängig und konstant. „Da wir die Maschine nicht unterbrechen müssen wegen kleineren Handlings- oder Befüllungsarbeiten an der Automa­tion, bekommen wir einen konstanteren und stabileren Prozess, als wenn wir ständig stoppen und anfahren müssten.“ Damit erfüllen die Anlagen die zentralen Anforderungen an ­Verfügbarkeit, Bauteilqualität sowie Effizienz.

Autor

David Löh
ist Redakteur des Plastverarbeiter.
david.loeh@huethig.de