Taktzeiten nahezu halbiert

Das richtige Fügeverfahren und die passende Spanntechnik sparen erhebliche Produktionszeiten. Auf der Anlage werden Instrumententafeln zeitgleich bestückt und geschweißt. Hier lesen Sie, wie das funktioniert.

11. Mai 2006
Bild 1: Taktzeiten nahezu halbiert
Bild 1: Taktzeiten nahezu halbiert

Als Warren S. Johnson, Professor an der State Normal School in Whitewater, Wisconsin, 1883 das Patent für den ersten elektrischen Raumthermostat erhielt, legte er auch den Grundstein für ein eigenes Unternehmen. Das Unternehmen heißt heute Johnson Controls und stützt sich heute auf die zwei Geschäftsbereiche - Automotive und Controls - und ist weltweit führend in der automobilen Innenausstattung und Elektronik sowie der Regelungstechnik/Gebäudeautomation und dem Gebäudemanagement. Zum Produktportfolio gehören auch Sitzsysteme, Instrumententafeln/Cockpits, Türsysteme, Dachhimmelsysteme, Innenraumelektronik und Elektrisches Energiemanagement. Im Lüneburger Werk des Unternehmens werden unter anderem Instrumententafeln für unterschiedliche Pkw-Reihen produziert.

Neues Verfahren zum Fügen

Damit das ehrgeizige Ziel von rund 1.000 Instrumententafeln pro Tag realisiert werden konnte, wurde ein neues Verfahren zum Fügen der Einzelteile erarbeitet. Mit dem Know-how der Firmen SEF, Witte, Rofin Sinar und Sieb & Meyer wurde eine Laserschweißanlage, die den spe­ziellen Ansprüchen Johnson Controls entspricht, entwickelt. Hiermit konnte die Taktzeit im Vergleich zu herkömmlichen Fügemethoden nahezu halbiert werden. „Die kurzen Taktzeiten sind uns zwar sehr wichtig, doch die Präzision unserer Produkte steht an erster Stelle“, erklärt Dierk Schlüter, Industrial Engineer bei Johnson Controls in Lüneburg, der für die Planung der Laserschweißanlage verantwortlich war. Herkömmliche Methoden, wie manuelles Zusammenfügen der Einzelteile, das Anfang der 80er-Jahre angewendet wurde, entsprechen nicht mehr den heutigen Qualitätsstandards und sind deshalb für den Interior-Spezialisten lange passé.

Remote-Laserschweißen

Der Gedanke, Teile mittels Clinch-Technik zu fügen, musste aufgrund der erforderlichen Krafteinwirkungen, die zu Verformungen der dünnen Blechteile führen könnten, verworfen werden. Darüber hinaus hätten die aufwändigen Werkzeuge nicht genügend Platz für die Spanntechnik gelassen. »Die Idee, eine Laserschweißanlage auf Laser-Remote-Welding-Basis zu konzipieren, reifte vor knapp zwei Jahren«, so Dierk Schlüter. Da Teile mit einer 0,2-mm-Abweichung schon nicht mehr verwendbar sind, mussten alle denkbaren Fehlerquellen von vornherein ausgeschlossen werden. „Weil mit jeder Werkstück-Umspannung Ungenauigkeiten einhergehen, entstand die Forderung, die Instrumententafeln in einer Aufspannung zu fügen.“ In Teamarbeit konzipierten die fünf Unternehmen (SEF, Sieb & Meyer, Johnson Controls, Rofin Sinar, Witte) eine Laserschweißanlage, auf der täglich rund 1.000 Tafeln für den Opel Zafira gefertigt werden. Je nach Anforderung werden zwischen 10 und 30 Prozent der Paneele für die Rechtslenker-Version produziert. Während SEF für den Anlagenbau und das LRW-Modul (Laser Remote Welding), welches den Laserstrahl führt und steuert, zuständig ist, hat Witte den Part der Werkstückaufnahme übernommen.

Witte-Werkstückaufnahme

„Für uns war es aufgrund der Komplexität des Projektes wichtig“, so Dierk Schlüter, „dass Konstruktion und Fertigung der Werkstückaufnahmen aus einem Hause kommen und alle Teile in einer Aufspannung verschweißt werden können. Da das Gewicht so gering wie möglich gehalten werden musste, sollte die Aufnahme aus Aluminium sein. Witte ist als Problemlöser in nahezu allen Fragen des Werkstückspannens bekannt und darüber hinaus auf die Bearbeitung von Aluminium spezialisiert.“ Basis der Werkstückaufnahmen ist eine achteckige Sandwichplatte aus hochfestem Aluminium, welche die Funk­tion eines Drehtellers übernimmt. Die Sandwichplatte fungiert als Dreh-Wechsel-Tisch wobei sich der Tisch im Normalbetrieb um 180° - und beim Wechsel zwischen Links- und Rechtslenker 90° beziehungsweise 270° dreht. Der Drehtisch mit Spannvorrichtungen und Sandwichplatte wiegt circa 2,8 Tonnen. Dank eines Servoverstärkers geht die 180°-Drehung des Tisches in weniger als drei Sekunden vonstatten. Durch ein Hohlwellengetriebe werden in der Mitte des Drehtisches Druckluft, Spannungsversorgung und ein Profibuskabel zur Versorgung der Spannvorrichtungen geführt. Auf der Sandwichplatte befinden sich vier Vorrichtungen zur Fixierung der Blechteile. Jeweils zwei gegenüberlie­gende Spannvorrichtungen werden für Rechts- und Linkslenker-Instrumententafeln verwendet. Jede dieser Vorrichtungen besteht aus einfach austauschbaren Säulen, welche die elf miteinander zu verschweißenden Einzelteile aufnehmen. Um ein ergonomisches Bestücken zu ermöglichen, fährt die jeweilige Aufnahme wie eine Schublade aus der Anlage nach vorne. Der Bediener entnimmt das fertig geschweißte Teil und platziert die neuen Blechteile auf dem Unterwerkzeug, welches die erforderliche Geometrie der Instrumententafeln gewährleistet.

Präzision beim Einlegen

Per Knopfdruck fährt dann die bestückte Schublade zurück in die Anlage, das Oberwerkzeug senkt ab und spannt die elf Blechteile: „Die Fügestellen zwischen den einzelnen Blechteilen sollen eine Null­fuge aufweisen“, gibt Dieter Koch, Witte-Projektleiter, zu bedenken. Durch die Produktaufnahmen müssen die Blechteile so präzise in Position gebracht werden, dass eine Null-Fuge entsteht. Das Oberwerkzeug musste so ausgelegt werden, dass mögliche Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden können. Beträgt der Fügespalt mehr als 0,1 mm, können die Teile nicht wie gefordert zusammengeschweißt werden. Deshalb sind die Spannpunkte einfach in X-, Y- und Z-Richtung einstellbar. Die Sandwichplatte dreht sich mit den eingelegten und durch das Oberwerkzeug fixierten Blechteilen um 180°, so dass die nächsten Teile eingelegt werden können. Gleichzeitig erfolgt auf der gegenüberliegenden Vorrichtung (180°), die sich innerhalb der Anlage befindet, der Schweißvorgang.

Vier Spannvorrichtungen auf einer Platte

Dabei wird der von einem 3,5 kW CO2-Slab-Laser erzeugte Laserstrahl über das LRW-Modul exakt auf den Schweißnähten positioniert. Im vorderen Bereich wird die fertig geschweißte Instrumententafel durch Hochfahren des Oberwerkzeuges und Herausfahren der Schublade freigegeben. Der Bediener entnimmt die fertige I-Tafel und legt in Sekundenschnelle die nächsten Blechteile ein. Nachdem der Werker circa 30 Sekunden später ein weiteres Mal den Startknopf betätigt hat, dreht sich der Tisch erneut um 180°, so dass im Inneren der Anlage ein weiteres Teil geschweißt wird. Da sich auf der Sandwichplatte vier Spannvorrichtungen befinden, sind jeweils zwei Einheiten in Warteposition (entweder beide Links- oder Rechstlenkervorrichtungen). Bei der Konzeption mussten viele Parameter eingehalten werden. Damit die Laserstrahlen die Fügestellen erreichen können, wurden in die Aluminium-Platte des Oberwerkzeuges Bohrungen eingearbeitet. Diese mussten, um die geforderte Stabilität der Platte zu gewährleisten, so klein wie möglich gestaltet werden.

Konzept mit Platzspareffekt

Bei größeren Aussparungen hätte die Oberplatte voluminöser dimensioniert werden müssen, was das gesamte Anlagenkonzept (Größe, Dimensionen, Gewicht) verändert hätte. Der Laserstrahl wird durch feinstgeschliffene Umlenkspiegel in die LRW-Box gelenkt und dort über eine Linse fokussiert. Anschließend geht der Strahl durch die Aussparungen der Oberwerkzeug-Deckplatte auf die entsprechenden Schweißstellen, d.?h. Fügestellen der Blechteile. Durch das LRW-Modul ist es möglich den Strahl auch bei unterschiedlichen Höhen immer exakt im Fokus auf den Schweißnähten zu positionieren. Die Problematik bestand aufgrund der sehr kompakten Bauweise der Anlage darin, möglichst viele Schweißpunkte auf engstem Raum durch sehr begrenzte Laser-Eintrittbereiche zu realisieren. »Anfangs waren für die Instrumentenpanel 34 Schweißungen geplant. Die später erfolgte Umstellung auf 52 Schweißstellen konnte problemlos unter Einhaltung der gleichen Taktrate realisiert werden«, erklärt SEF-Geschäftsführer Kurt Zimmermann. Die Anlage ist nicht an die Herstellung von Instrumententafeln gebunden. „Durch Umprogrammierung der Lasersteuerung und Austausch der Produktaufnahmen ist auch der Einsatz für andere Interior-Komponenten denkbar. Es könnten auch gleichzeitig verschiedenartige Werkstücke bearbeitet werden“, so Dierk Schlüter, „Wir gehen jedoch davon aus, dass die Anlage in den nächsten Jahren unverändert bleibt.“

Eine flexibel einsetzbare Anlage

Sollte es dennoch Design-Modifikationen der Instrumententafeln geben, wäre dieses durch eine entsprechende Anpassung der Teileaufnahmen und Umprogrammierung des Laser Remote Welding Systems umsetzbar. Dierk Schlüter ist sich sicher, dass die so genannte Notfall-Aufnahme nie zum Einsatz kommen wird. Um aber dennoch auf „Nummer sicher“ zu gehen, wurde eine Notfallstrategie konzipiert. Hierbei werden die Blechteile auf einer gesonderten Vorrichtung platziert und mit einem Plasma-Schweißgerät geheftet. Anschließend werden die Teile mit einer Punktschweißzange verbunden. Somit könnte bei Ausfall der Laserschweißanlage eine Fertigung von 500 bis 600 Instrumententafeln täglich sicher aufrechter­halten werden.

Erschienen in Ausgabe: 04/2006