Automatisierung für Forscher

Fügetechnik praxisnah im Labor entwickelt

Leichtbau macht Fahrzeuge leichter und sicherer, Windturbinen langlebiger und robuster und er hilft, den Treibstoffverbrauch bei Flugzeugen zu reduzieren. Sie stellen die Fügetechnik aber zugleich vor neue Herausforderungen – die Prozesse und Prüfverfahren müssen für kombinierte Fügemethoden ebenso entwickelt und validiert werden wie für das Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstoffe. An diesen Aufgaben forscht das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik an der Universität Paderborn. Kern der Anlage ist eine multifunktionale Fügezelle mit zeitgemäßer Automatisierungstechnik auf PC-Basis.

Bild: Siemens AG

Speziell im Automobilbau, aber auch bei Flugzeugen und sogar im Anlagenbau sorgen neue Materialien dafür, dass Bauteile steifer und leichter werden. Davon profitiert besonders der Bereich Elektromobilität, wo ganze Karosserien aus Faserverbundkunststoffen gefertigt werden. Aber schon in jedem normalen Fahrzeug sind heute mehrere verschiedene Werkstoffe verbaut. Die Komponenten aus Aluminiumguss, Aluminium, und Stählen in verschiedenen Festigkeiten müssen dazu dauerhaft miteinander verbunden werden – ein klassisches Problem der Fügetechnik, wie Vadim Sartisson und Ludmila Ernstberger vom Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn erläutern. „Wir untersuchen Mischbauverbindungen im Hinblick auf ihre mechanischen Kennwerte, ihre Beständigkeit und die Auswirkungen des Fertigungsprozesses auf die Verbindungen“, sagt Sartisson. Er arbeitet am LWF im Bereich mechanische Fügetechnik. Ludmila Ernstberger promoviert am LWF auf dem Gebiet der Klebetechnik. Gemeinsam untersuchen sie unter anderem die Verbindung von Werkstoffen mit Klebstoffen und Nietverbindungen, wie sie häufig im Automobil-Rohbau eingesetzt werden. „Klebstoffverbindungen sind unter anderem deswegen so wichtig, weil sie im Falle eines Unfalls in der Lage sind, Energie zu absorbieren und so die Unfallfolgen abzumildern. Die Karosserie kann insgesamt leichter gebaut werden“, erklärt Ernstberger. „Die Nietverbindungen sind vor allem dazu da, die Bauteile bis zum vollständigen Aushärten der Klebstoffe zu fixieren“, fährt Sartisson fort. „Wenn die beiden Fügetechniken nicht richtig kombiniert werden, kann es dabei zu Problemen kommen, zum Beispiel zu Lufteinschlüssen im Klebstoff. Im LWF untersuchen wir daher, welche Parameter wichtig sind für ein optimales Fügeergebnis, und wir führen dazu umfangreiche Versuche durch.“

Prozesse verstehen lernen

Seit Kurzem gehört zu den Testanlagen im LWF auch eine komplette, multifunktionale Roboter-Fügezelle, an der die verschiedenen Fügetechniken in einem realitätsnahen Fertigungsumfeld untersucht werden, wie Mathis Toppmöller erklärt. Er ist für die Roboterzelle verantwortlich und promoviert im LWF über thermische Fügetechnik. „Die Versuche an statischen Fügesystemen sind aus unserer Sicht nicht ausreichend, um die Kennwerte für die Verbindungen zu ermitteln. Gerade bei automatisierten Prozessen gibt es viele Einflüsse und Störgrößen aus dem Prozess, die wir in unseren Untersuchungen berücksichtigen wollen. Daher haben wir uns entschieden, eine Fertigungszelle aufzubauen, in der zwei Roboter gemeinsam die entsprechenden Werkstückproben fügen.“ Bei der Auswahl der Lieferanten waren dem Team drei Kriterien besonders wichtig: eine leistungsfähige, flexible und aktuelle Automatisierung, die sichere Beherrschung der Prozesse in und an den Robotern und das Schulungsangebot. „Wir wollen an unserem Institut den Studierenden ein Umfeld bieten, in dem sie mit den Technologien arbeiten, die sie später auch in der Industrie vorfinden. Dazu gehört auch, dass wir die Anwendungen für die Roboterzelle selbst weiterentwickeln und anpassen können. Daher war die Schulung unserer Mitarbeiter in der Automatisierung fester Bestandteil der Ausschreibung. Da wir für Serienanwendungen eine große Zahl an Versuchen durchführen müssen, wollten wir ein PC-basiertes System, damit wir die teilweise sehr umfangreichen Datenmengen schnell verarbeiten können. Und natürlich muss das System auch fehlersicher sein“, sagt Toppmöller. Siemens stellte für die Anlage ein Paket aus Industrie-PC, Soft-SPS und Multitouch-Panel für die Bedienung.

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Bild: Siemens AG

Die Implementierung

Projektiert und gebaut wurde die Fügezelle von Dirscher Automatisierungstechnik. Sie realisierten auch die Oberfläche für die Bedienung. Mittlerweile ist die Zelle mit einem der beiden Roboter bereits aufgebaut und in Betrieb genommen. Die ersten acht Mitarbeiter sind bereits in der Arbeit mit dem Engineering-Framework TIA Portal von Siemens geschult und können die Anlage eigenhändig erweitern. In einem nächsten Schritt sollen der zweite Roboter integriert und die Fügevorrichtungen und Messsysteme implementiert werden. Zudem soll die Fügezelle mit einem Kamerasystem und einem Instrument zur Thermographie-Messung ausgerüstet werden. „Dazu werden wir in der Steuerung neue Routinen benötigen und auch zusätzliche Grafikkarten und Erweiterungen brauchen“, schildert Toppmöller. Daher muss der eingesetzte IPC vom Typ Simatic IPC827D Box PC ausreichende Leistung mitbringen und sich entsprechend erweitern lassen. Die Prozesse steuert der Simatic Software Controller, der parallel zu Steuerungsfunktionen harte Echtzeit bietet, ein ausreichendes Datenvolumen verarbeiten und seine Funktionen zügig auf einer PC-Plattform bereitstellen kann. Über einen nach IP65-geschützten Industrie-Bildschirm mit 19 Zoll Bildschirmdiagonale – ebenfalls aus dem Simatic-Portfolio von Siemens – lassen sich die Prozesse außerhalb des Arbeitsbereichs der Roboter bedienen und beobachten. Das Display lässt sich per Multitouch bedienen, um den Umgang mit der Automatisierung zu erleichtern. Projektiert werden die Komponenten über das TIA Portal. So müssen Mitarbeiter und Studierende nur mit einer Programmierumgebung arbeiten lernen.

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Bild: Siemens AG

Mehr Zeit für die Forschung

Während die Zelle noch aufgebaut wurde, liegen erste Versuche. Toppmöller kann bereits ein erstes Fazit ziehen: „Die PC-basierte Automatisierungslösung bietet uns ausreichend Möglichkeiten, um auch umfangreiche Versuchsreihen durchführen zu können. Noch dazu verliefen der Aufbau und die Einarbeitung absolut reibungslos – nach der Vorabnahme bei Discher hat es gerade einmal drei Tage gedauert, bis der Roboter bei uns installiert und in Betrieb genommen war. Auch die Schulungen durch Siemens waren ausgezeichnet vorbereitet und hatten für uns wirklich einen großen Lerneffekt. Jetzt machen sich die Mitarbeiter im Institut daran, die weiteren Systeme zu planen und zu integrieren – und Pläne für die verschiedenen Versuchsaufbauten zu entwickeln. „Bei der automatisierten Fertigung gibt es oft Phänomene wie Drift der Fügepunkte, die wir jetzt in einer realen Umgebung untersuchen können“, sagt Sartisson. Auch für die Kombination von Fügetechniken ergeben sich neue Möglichkeiten, ergänzt Ernstberger: „Wir werden uns unter anderem mit verschiedenen Regelungsproblemen befassen, zum Beispiel mit der Nachführung der Klebstoffdosierung bei unterschiedlichen Robotergeschwindigkeiten und Bewegungsprofilen. Auch dafür werden wir die Fügezelle nutzen können.“ Das Team möchte noch viel dazu beitragen, dass Autos, Flugzeuge und Windturbinen leichter, sicherer und effizienter werden.

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