Schneller Prozess

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Automatisierung – Die Fertigung der Luftkanäle für Fahrzeugheizungen ist ein aufwendiger Prozess. Moderne Antriebs-und Steuerungstechnik von Siemens ermöglicht dabei jetzt die hochproduktive Verarbeitung von geschäumtem Polyethylen von der Rolle.

17. Juni 2015

Eine wichtige Komponente der Heizungs- und Klimatisierungssysteme in Automobilen sind die Luftführungskanäle, die die temperierte Luft in verschiedene Bereiche des Innenraums leiten. Die Fertigung dieser sogenannten Airducts aus vernetztem Polyethylen-Schaum verbindet dabei ein sehr geringes Raumgewicht mit guter Schall- und Wärmedämmung sowie einer ausgezeichneten Alterungs- und Chemikalienbeständigkeit. Zudem verhindert die regelmäßige und geschlossene Zellstruktur des Werkstoffs die Aufnahme von Wasser. Die Produktion der Airduct-Formteile aus geschäumtem Material geschieht üblicherweise durch die getrennte Herstellung zweier sogenannter Mono-Sheets im Vakuumformverfahren, die anschließend gefügt und unter anderem verklebt werden. Für eine Serienfertigung in großen Stückzahlen ist dieser Prozess jedoch zu aufwendig, sodass Airducts aus geschäumtem Material bisher Premium-Fahrzeugen vorbehalten waren.

Ein renommierter Automobilzulieferer wollte dies ändern und wandte sich dazu an den Hersteller der von ihm benutzten Vakuumformmaschinen, die Geiss AG aus Seßlach in Oberfranken. Die Maschinenbauer haben daraufhin das Anwendungsspektrum ihrer bewährten Twin-Sheet-Vakuumformtechnologie auch für die Verarbeitung von geschäumtem Polyethylen von der Rolle erweitert. Mit der Maschine lassen sich so komplette Airduct-Sätze aus PE-Schaum in reproduzierbarer Qualität erstmals in einem einzigen Umformgang herstellen.

Bewährter Prozess

Basis der Neuentwicklung ist eine Twin-Sheet-Vakuumformmaschine der aktuellen Baureihe Geiss T9. Um die Schnittstellen- und Zeitverluste zu minimieren, übertrug der Automobilzulieferer zudem auch die Konstruktion und Fertigung der Formen auf den Maschinenbauer. Die Oberfranken konnten deshalb nicht nur die räumliche Lage und die Verbindungsebenen der jeweils sieben Ober- und Unterteile im Werkzeug zügig ermitteln, sondern zugleich die Verbindung des Systems zu allen erforderlichen Werkzeugmaschinen optimieren. Durch diese enge Zusammenarbeit konnten die Maschinenbauer den Prozess in weniger als einem Jahr von der Idee zur Serienreife bringen.

Maßgeblich für eine kontrollierte, exakt reproduzierbare Prozessführung ohne Qualitätseinbußen, etwa aufgrund von Druckluftschwankungen, ist auch das Steuerungs- und Servo-Antriebskonzept, das die Oberfranken gemeinsam mit dem Ausrüster Siemens entwickelt haben. Dessen Kernkomponenten sind ein Industrie-PC 677C, eine speicherprogrammierbare Steuerung Simatic S7317 als Ablaufsteuerung sowie ein Motion Controller Simotion D435 in der Aufbautechnik des Antriebssystems Sinamics S120, der das Zusammenspiel von neun Servoachsen mit Servomotoren der Reihe Simotics S 1FK7 steuert.

Präzise Steuerung

Das Antriebssystem ermöglicht eine exakt reproduzierbare, stufenlos programmierbare Verstellung unter anderem des Spannrahmens und der Fensterplatte und lässt sich zudem für jede Maschinenkonfiguration um zusätzliche Ein- oder Zweiachs-Motormodule erweitern. Die integrierte Control Unit der Simotion D435 ist für die Servoregelung von bis zu sechs Achsen konzipiert und lässt sich über zusätzliche Sinamics Control Units (CU320 2) auf bis zu 32 Achsen erweitern. Das automatische Auslesen der elektronischen Typenschilder der Motoren durch den digitalen Systembus DriveCliq erspart dabei das fehlerträchtige händische Parametrieren und beschleunigt die Inbetriebnahme sowie den Austausch im Servicefall. Der Einsatz von Servomotoren an allen Achsen ermöglicht eine schnelle und reproduzierbare Ein- und Umstellung der Maschine auf Knopfdruck und vereinfacht so das Einrichten und Wechseln der verschiedenen Formen.

Als sehr nützlich bei der Weiterentwicklung des Verfahrens erwies sich die Überlastfähigkeit der Simotics-Servomotoren. So zeigte sich bereits vor der Umsetzung im Projektierungs-Tool Sizer, dass für das Verpressen der beiden Formhälften kurzzeitig mehr Drehmoment benötigt wird, erzählt Geiss-Konstruktionsleiter Wolfgang Daum und erinnert sich: »In Grenzfällen hat der Support von Siemens nachgerechnet und bestätigt, dass diese kurzzeitige Überlast den Motor auch in der späteren Serienproduktion nie überfordern wird.«

Auch die spezielle Heizungssteuerung für das Thermoformen unterschiedlichster Materialien und Formen ist eine gemeinschaftliche Entwicklung von Maschinenbauer und Ausrüster. So erfolgt die Visualisierung der Heizungssteuerung über einen Industrie-PC Simatic IPC677C, der eine auf Material und Formteil abgestimmte Temperaturführung vorgibt. Weitere Aufgaben sind die Speicherung der Rezepturen für die verschiedenen Teile des Produktionsbetriebs und die Vernetzung innerhalb des Fertigungsbetriebs.

Ebenso wichtig für eine konstant hohe Qualität der Formteile ist der geschlossene Maschinenkasten der Geiss T9. Dieses sogenannte Closed-Chamber-Prinzip erlaubt eine Fixierung und Manipulation der unteren und der oberen Rollenbahnen und verhindert ein Durchhängen beim Beheizen. Die beiden vorgestreckten Formhälften werden dabei in einem integrierten Arbeitsgang präzise gefügt und mit einem angepassten Druck miteinander verschweißt. Der gesamte Prozess benötigt im Durchschnitt lediglich 28 bis 58 Sekunden und ist damit um ein Vielfaches schneller als das konventionelle Verfahren mit einem nachträglichen Fügen zweier vorgeformter Hälften. Zudem bietet der integrierte Umformprozess entschieden vielfältigere Gestaltungsmöglichkeiten. So lassen sich bei Bedarf zum Beispiel Befestigungselemente wie Laschen direkt beim Umformen und ohne nachträgliche Arbeitsschritte realisieren.

Inzwischen haben Maschine und Verfahren ihre Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt. Die Maschine ist ausgelegt für die Verarbeitung von PE-Schaum mit einer Dicke von vier bis sechs Millimeter und ermöglicht eine Ausbringung von rund 2.000 Einheiten des Airduct-Satzes pro Woche. Entsprechend groß ist das Interesse der Automobil- und Zulieferbranche. Weiteres Entwicklungspotenzial bieten zudem auch andere Branchen und Anwendungen, wie zum Beispiel die Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik, die Schalldämmung oder die Wärmeisolierung.bt

Erschienen in Ausgabe: 05/2015