Hans Jörg Stoll, Schaffhausen, Schweiz
Im Bereich der Motorengussproduktion, wo es um große Serien geht, werden im Regelfall verknüpfte, automatische Anlagen, welche verschiedene Bearbeitungsstufen einschließen, eingesetzt. Verkettete Bearbeitungsoperationen sorgen für übersichtliche Abläufe und ermöglichen die Produktionskontrolle (Werkstückverfolgung) bei reduziertem Platzbedarf.
Bei kurzen Durchlaufzeiten und einer betriebssicheren Förderung ohne Zwischenlagerung kann die Anzahl manueller Operationen entscheidend reduziert werden.
Einheitliche, prozesssichere Produktionsbedingungen sorgen außerdem für eine konstante und zugleich hohe Fertigungsqualität, die durch entsprechende Prüfoperationen kontrolliert und dokumentiert werden können. Die Automatisierung steigert nicht nur die Produktivität und Wirtschaftlichkeit: Vielfach können Anlagensynergien genutzt und Investitionsmittel eingespart werden. Produktionsprozesse können ohne Zweifel verbessert werden. Klar ist, auch die Wertschöpfung in den Gießereien kann durch zusätzliche Bearbeitungsvorgänge gesteigert werden.
Oberflächen und Innenräume gezielt und werkstückspezifisch strahlen
Das Strahlen von Motorengussteilen ist eine besonders anspruchsvolle Aufgabe: Einerseits stellen die heute üblichen Werkstoffe (Eisen-, Aluminium- und Magnesiumlegierungen), aus denen die Komponenten gefertigt werden, unterschiedliche Ansprüche an die Konzeption und Ausführung der Nachbearbeitungsanlagen, anderseits gilt es, die schwer zugänglichen Innenräume z. B. von Kurbelgehäusen und Zylinderköpfen einwandfrei von anhaftendem Sand zu befreien. Außerdem muss das Strahlmittel nach erfolgter Bearbeitung restlos ausgetragen werden. Abgestimmt auf die jewei-Manipulator-Strahlanlagen Mehr Drive für immer mehr Motoren lige Produktion werden unterschiedliche Strahlmittelsorten eingesetzt.
DISA Manipulator-Strahlanlagen haben sich in diesem Anwendungsfeld bestens bewährt, da sie flexibel und leistungsfähig sind. Zurzeit stehen weit mehr als einhundert Anlagen dieser Bauart weltweit, meist im Mehrschichtbetrieb, im Einsatz. Sie können sowohl als einzelne Fertigungszelle, wie im Rahmen automatischer Putzlinien mit vorgeschalteten Schleif-, Entkern- und Stanzanlagen, als auch als nachgeschaltete Luftstrahlstationen zum Einsatz kommen.
Die Entwicklung von Manipulator-Strahlanlagen geht zurück auf die späten 70er-Jahre. Die bis dahin erfolgreich eingesetzten „Ram Cage“-Strahlanlagen bzw. die „Rail Roll“-Strahlanlagen, welche werkstückspezifische Käfige oder fahrbare Haltesysteme verwendeten, wurden zu aufwendig. Eine Lösung, die mehr Möglichkeiten zur Teileanordnung und zur Steuerung des Bewegungsgablaufs im Strahlfächer bot, war gefragt. So wurde nach einem „universellen“ Werkstückhaltesystem für Teilefamilien gesucht. Ergebnis dieser Bemühungen ist die heute im Einsatz befindliche und im Regelfall verwendete Manipulatorzange.
Kernstücke von Manipulator-Strahlanlagen – die Bezeichnung deutet darauf hin – sind ein oder mehrere Manipulatoren oder auch Tragwellen, welche Gussteile unterschiedlichster Art, Form und Größe aufnehmen können, ohne dass die Maschinen umgerüstet werden müssen. Die Anlagen arbeiten vollautomatisch, einschließlich Beschicken, Entleeren (Strahlmittelaustrag) und Entladen. Sie kombinieren hohe Leistung mit hervorragender Wirkung: Über programmierbare Manipulator-Bewegungsgabläufe (variables Drehen, Pendeln, Halten) können auch schwer zugängliche Innenräume zuverlässig und gezielt behandelt werden, ohne dass sich diese mit Strahlmittel füllen. Je nach Einsatzfeld kommen unterschiedliche Basisbauweisen zur Anwendung:
Anlagen mit Manipulatorzangen zum Entsanden, Entzundern und zur Oberflächenveredelung von Getriebe- oder Kurbelgehäusen, Zylinderköpfen und andere Fahrzeugteilen aus Gusseisen und Leichtmetall (Sand-, Kokillen-, Druckguss)
Anlagen mit rotierenden Tragwellen zum Entsanden, Entzundern und Kugelstrahlen von Kurbelwellen und anderen Rotationsteilen.
DISA MAC-Strahlanlagen für Aluminium- oder Magnesiumlegierungen (Bild 1).
Bild 1: Der Manipulator fixiert unterschiedlichste Teile, ohne Umrüstarbeiten
Aufbau moderner Produktionslinien
Die Modulbauweise der DS/DV-Basisbaureihen sorgt für eine hohe Konzeptionsflexibilität und stellt sicher, dass die unterschiedlichsten Anforderungen (Einsatzspektrum, Leistung, Platz und Handling) erfüllt werden können. Rotierende Tragwellen oder Manipulatorzangen mit beweglichen Greifern nehmen die Werkstücke auf und führen sie durch die Anlage (Bild 2). Die Greifwerkzeuge der Zangen passen sich automatisch den Werkstückformen an, so dass einzelne oder mehrere Teile in Abmessungen von 80 bis 650 mm Höhe aufgenommen werden können.
Trotz großer Fertigungslose ist die Produktionsflexibilität ein entscheidendes Kriterium, weil sich die Kunden zwar auf spezifische Komponenten, z. B. Kurbelgehäuse, spezialisieren, in diesem Segment aber ganze Teilefamilien in unterschiedlichen Abmessungen produzieren. Dies wird am Beispiel eines Herstellers deutlich, der pro Jahr etwa 95 000 t Guss fertigt. Das Programm umfasst in diesem Fall rund 20 verschiedene Gusskomponenten. Das Spektrum reicht von Drei- bis zu Sechs-Zylinder-Motorblöcken und den entsprechenden Zylinderköpfen für die namhafte Motorenhersteller und Pkw-Produzenten.
Bild 2: Als Werkstückaufnahme dienen Zangen oder Tragwellen
Blick in die Gießereipraxis
Die ungestrahlten Teile werden auf die Tragwellen aufgelegt oder in den Manipulator eingespannt. Ganz wichtig: Dabei sorgt ein Federmechanismus für gleich bleibende Haltekraft. Vollautomatisch arbeitende Maschinen sind mit Werkstück-Erkennungssystemen ausgerüstet, die dafür sorgen, dass die Strahlparameter (Strahlzeit, Strahlmittelmenge, Abwurfgeschwindigkeit, Bewegungsablauf der Teile im Strahlfächer, Anzahl zugeschaltete Schleuderräder, Entleerzeit) individuell gesteuert werden können. Entsprechende Prozessparameter werden empirisch definiert und/oder im Rahmen von Strahlversuchen ermittelt und festgelegt.
Durch die gezielte Anordnung von Werkstücken und Schleuderrädern ist immer eine optimale Lage im Strahlfächer und die bestmögliche Ausnutzung der Strahlmittelenergie bei minimalem Verschleiß sichergestellt. Die Schleuderräder sind normalerweise oberhalb der horizontalen Manipulatorachse angeordnet. Strahlinterferenzen können so weitgehend ausgeschlossen werden. Außerdem wird dem Verschleiß wirksam vorgebeugt, weil abgestrahlter Sand, Zunder und Strahlmittel nicht in tiefer liegende Schleuderräder gelangen kann. Nach dem Strahlen werden die Gussteile in der Maschine entleert, was den Strahlmittelaustrag vermindert. In Verbindung mit variablen Drehbewegungen (Drehen, Halten, Pendeln) wird das Strahlmittel zuverlässig ausgetragen.
Alle Komponenten im Bereich des Manipulators, die sich im Strahlbereich befinden, sind aus hochwertigem, verschleißfestem Manganstahl gefertigt, Türen und Übergänge über mehrfache Labyrinthe und Magnetstreifen betriebssicher abgedichtet. Bei Werkstückgewichten bis 700 kg können bis zu 40 t Guss pro Stunde bearbeitet werden.
DS1-Strahlanlagen für Leichtmetall und Gusseisen
Die Typenreihe der DS1 umfasst Anlagen zum Strahlen von Komponenten aus Gusseisen und Leichtmetalllegierungen. Die Anlagen verfügen über eine kombinierte Strahl-/Strahlmittelentleer-Kammer und sind mit der DISA-Manipulatorzange mit zwei beweglichen Armen oder mit Tragwellen für rotierende Teile (Kurbelwellen etc.) ausgerüstet.
DS1-Strahlanlagen können, abgestimmt auf den Werkstückfluss, mit Robotern oder Ladegeräten frontseitig beschickt und entladen oder – zur Steigerung der Leistung – frontseitig beschickt und rückseitig entladen werden. Das paarweise Strahlen von Werkstücken ist in den meisten Fällen möglich und trägt entscheidend zur Leistungssteigerung bei. Programmierbare Manipulator-Bewegunsgabläufe (Drehen, Pendeln, Halten) sorgen dafür, dass auch kritische Stellen gezielt behandelt werden. Der Einsatz von erkstück-Erkennungssystemen und damit die teileabhängige Steuerung von Strahlparametern (Strahlzeit, Strahlmittelmenge, Abwurfgeschwindigkeit, Anzahl Schleuderräder, Strahlmittelentleerung) ist möglich. Abhängig von der Art der Teile und vom gewünschten Reinigungsgrad liegt die Leistung bei 90 bis 180 Teilen pro Stunde. Diese Anlagen bieten durch ihre kompakte Bauweise eine hohe Layout- und Produktionsflexibilität und können auch einfach in bestehende Anlagen eingebaut werden (Bild 3).
DV2-Strahlanlagen für Gusseisen
DV2-Strahlanlagen werden ausschließlich zum Strahlen von Komponenten aus Gusseisen eingesetzt und sind mit vier Schleuderrädern ausgerüstet. Diese Anlagen verfügen über zwei Manipulatorzangen mit je zwei beweglichen Armen. Sie sind für 20 bis 80 Arbeitszyklen und – bei zwei Werkstücken pro Manipulator – für Losgrößen bis zu 160 Teilen pro Stunde ausgelegt. Größe und Tragkraft der Manipulatorzangen werden auf das Strahlgut abgestimmt. Bei DV2-Strahlanlagen ist immer ein Manipulator im Strahlraum, während der zweite beschickt oder entleert und entladen wird. Das vollständige Strahlen und Entleeren auch von komplexen Innenräumen erfolgt in einem Arbeitsgang innerhalb der Maschine.
Beladen und Entladen wird frontseitig mit Robotern oder Ladegeräten. Auch das paarweise Strahlen von Werkstücken ist möglich. Dank Platz sparender Bauweise können DV2-Strahlanlagen problemlos in bestehende Anlagen integriert werden. Auch bei dieser Systemlösung bringt die Abstimmung von Strahlmaschine, Peripherie und Handlingseinrichtung den gewünschten hohen Automationsgrad.
DS4/5-/6-/8-Strahlanlagen für Leichtmetall und Gusseisen
Die Serie der DS4-, 5-, 6- und DS8-Anlagen bietet ein breites Spektrum konzeptioneller Möglichkeiten in unterschiedlichen Leistungsstufen, wobei die Werkstücke in mehreren Kammern gleichzeitig gestrahlt werden. Einsatzbereiche dieser Hochleistungsanlagen sind – nebst der Behandlung großer Serien von Komponenten für die Fahrzeugindustrie – das Entzundern und Kugelstrahlen von Rotationsteilen, wie z. B. Kurbelwellen. DS4-Anlagen mit 4 Kammern (kombinierte Be- und Entladekammer, 2 Strahlkammern, 1 Entleerkammer) werden für das Oberflächenfinish von Leichtmetall und zum Strahlen von Rotationsteilen eingesetzt.
Bild 3: DS1-Strahlanlage mit frontseitiger Beschickung und Entladung
DS5-, 6- und 8-Anlagen mit 5, 6, bzw. 8 Kammern werden für die Behandlung von Fe-Teilen eingesetzt. Die Strahlmaschine wird bei laufendem Prozess durch Roboter oder mechanische Be- und Entladevorrichtungen beschickt und entladen. Bei der DS6 und DS8 laufen diese Vorgänge parallel ab, da diese Baugrößen über separate Beschickungssegmente verfügen. Die Nebenzeiten können so minimal gehalten und der Durchsatz gesteigert werden. Je nach Anlagenkonfiguration und gewünschtem Reinigungsgrad können bis zu 300 Teile pro Stunde gestrahlt werden. Eine paarweise Behandlung von Werkstücken ist möglich. Jede Maschine verfügt über 4 bis 12 Schleuderräder und 4 bis 8 Manipulatoren. Deren Größe und Tragkraft ist auf den einzelnen Anwendungsfall abgestimmt.
Kurze Wege – hoher Automationsgrad
Bei vollautomatischen Anlagen ist eine sinnvolle Lösung der Schnitt- und Übergabestellen sowie eine zweckdienliche Gestaltung der peripheren Anlagenkomponenten entscheidend:
kontinuierlicher, logischer Produktionsablauf ohne Zwischenlager und Mehrfach- Handling,
Produktionsüberwachung und
Beseitigung von manuellen Vorgängen.
Diese Funktion übernehmen Roboter oder mechanische Be- und Entladegeräte. Die Wahl der geeigneten Lösung ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Im Zentrum stehen immer Kosten-/Nutzen-Aspekte sowie Layoutvorgaben und Kundenpräferenzen.
Be- und Entladegeräte sind kostengünstige und sinnvolle Lösungen für einfache Bewegungsabläufe bei höheren Taktzeiten sowie bei knappen Platzverhältnissen. Sie kommen bei Stückgewichten über 250 kg und häufig bei Durchlaufmaschinen zum Einsatz, die frontseitig beladen und rückseitig entladen werden. Bei großer Teilevielfalt bieten diese Geräte zusätzliche Vorteile.
Industrieroboter werden allgemein bei kürzeren Taktzeiten und Stückgewichten bis maximal ca. 250 kg eingesetzt. Komplexe Bewegungsabläufe, die Positioniergenauigkeit und hohe Reproduzierbarkeit zählen zu den wichtigsten Vorzügen, weiter die herausragende Wartungsfreundlichkeit und Flexibilität beim Umstellen von Bewegungsabläufen. Roboter können zudem für die Strahlmittelentleerung außerhalb der Maschine eingesetzt werden. In autonomen Fertigungszellen (Entkernen/Schleifen /Strahlen/Stanzen) verknüpft der gleiche Roboter unterschiedliche Fertigungsbereiche. Wartezeiten werden überbrückt und produktiv genutzt, was sich vorteilhaft auf die Produktionskosten auswirkt.
Durch die Integration der Anlagen in einen automatischen Produktionsablauf kommt der Mensch erst mit dem sauberen Guss in Berührung. Bei hohem Automationsgrad können die Anlagen weitgehend ohne Bedienungspersonal gefahren werden.
Hans Jörg Stoll ist Leiter Marketing der DISA Industrie AG, Schaffhausen, Schweiz