Bauteilsauberkeit in der Fahrzeugindustrie

Werkstoffe 15. 09. 2017
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– qualitätsstabil und effizient erreichen

Reinigung wird individueller und anspruchsvoller

Die weitere Senkung von Emissionen, Elektromobilität, Leichtbau und Konnektivität sind nur einige Themen, die die Fahrzeugindustrie beschäftigen. Auswirkungen haben diese Trends auch auf die Bauteilreinigung.

Die Manipulation der Abgaswerte bei Dieselfahrzeugen hat zu einer Diskussion um die Zukunft von Verbrennungsmotoren, insbesondere der Dieseltechnologie geführt. Daraus lässt sich klar ablesen: Die Elektrifizierung von Fahrzeugen – sei es Plug-In Hybrid, Range Extender Fahrzeug oder Automobil mit Batterie- beziehungsweise Brennstoffzellenantrieb – wird eine zunehmend wichtigere Rolle spielen. Klar ist aber auch, dass zumindest über die nächsten zwei Jahrzehnte Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor die Straßen dominieren werden. Entsprechend forcieren Fahrzeughersteller neben alternativen Antriebskonzepten die Weiterentwicklung emissionsärmerer und sparsamerer Benzin- und Dieselmotoren. Schritte in diese Richtung sind unter anderem fortschreitendes Hubraum-Downsizing, Hochaufladung, hocheffiziente und intelligente Getriebe, effektivere Steuerungssysteme sowie weitere Optimierungen bis in die Nebenaggregate.

Dies wird dazu führen, dass Fahrzeugkomponenten empfindlicher auf Verschmutzungen reagieren und infolge dessen die Anforderungen an die technische Sauberkeit bei einer größeren Anzahl von Bauteilen steigen – bei gleichzeitig ebenfalls steigendem Kostendruck im internationalen Markt. Die große Modellvielfalt und kürzere Produktlebenszyklen sind weitere Herausforderungen. All dies macht in der Bauteil- und Oberflächenreinigung Lösungen erforderlich, mit denen sich partikuläre und filmische Sauberkeitsanforderungen nicht nur qualitätsstabil, sondern auch kosteneffizient erfüllen lassen.

Schnellere und sparsamere Roboterzellen

Für das Reinigen und Hochdruckentgraten von Motor- und Getriebebauteilen kommen aufgrund ihrer hohen Flexibilität häufig in Fertigungslinien eingebundene Roboterzellen zum Einsatz. Neu- und Weiterentwicklungen ermöglichen hier eine höhere Effizienz bei kürzeren Taktzeigen sowie verbesserter Reinigungsqualität und Verfügbarkeit. So stehen Roboterzellen zur Verfügung, bei denen ein speziell für die harschen Bedingungen in Reinigungsanlagen entwickelter Scara-Manipulator den handelsüblichen Sechsachs-Knickarmroboter ersetzt. Eine gemeinsame CNC-Steuerung für Manipulator und Reinigungsanlage substituiert die bisher separaten SPS- und Robotersteuerung. Programmierung, Bedienung, Wartung und Inbetriebnahme nach einem Werkstückwechsel werden dadurch vereinfacht und beschleunigt. Ein weiterer Ansatz zur Effizienzerhöhung liegt bei Roboterzellen in der Optimierung der Leistungsparameter wie etwa der Verringerung der erforderlichen Drücke. Einzug halten Roboterzellen inzwischen auch bei der Reinigung von Großmotoren, beispielsweise für Baumaschinen und Agrarfahrzeuge.

Optimal ausgelegte Reinigungsprozesse

Neben Motor- und Getriebekomponenten wird ein Großteil von Fahrzeugteilen nasschemisch gereinigt. Dabei nimmt der Anteil der Bauteile, bei denen Sauberkeitsspezifikationen zu erfüllen sind, kontinuierlich zu. Je nach Werkstück erfolgt die Reinigung als Einzelteil oder in Batchprozessen als gesetzte Ware oder Schüttgut.

Um die in der Fahrzeugindustrie üblichen hohen Sauberkeitsanforderungen prozesssicher und wirtschaftlich zu erfüllen, ist es unverzichtbar, den Reinigungsprozess hinsichtlich Chemie sowie der Anlagen- und Verfahrenstechnik auf die Reinigungsaufgabe abzustimmen. Wesentliche Kriterien dabei sind die zu reinigenden Materialien beziehungsweise Materialkombinationen, Größe und Geometrie des Bauteils, Art und Menge der Verschmutzung, der Durchsatz, die erforderliche Flexibilität sowie natürlich die Spezifikation zur partikulären Sauberkeit und immer häufiger auch zu filmischen Restkontaminationen.

Bei der Auswahl der Reinigungschemie empfiehlt es sich, dem chemischen Grundsatz Gleiches löst Gleiches zu folgen. Seine Wirkung wird meist durch unterschiedlich stark wirkende physikalische Verfahrenstechnik wie Spritzen, Druckumfluten und Ultraschallreinigung unterstützt.

Je nach Reinigungsaufgabe stehen ebenfalls in eine Linienfertigung integrierbare Systeme als Durchlaufanlagen, Ein- und Mehrkammersysteme sowie Reihentauchanlagen zur Verfügung. Ein modularer Aufbau mit unterschiedlichen Verknüpfungsmöglichkeiten gewährleistet dabei die Anpassung an spezifische Anforderungen, die bedarfsgerechte Erweiterbarkeit und Vernetzbarkeit.

Selbstüberwachende und -regulierende Reinigungsprozesse

Die permanente Erfassung und Kontrolle der Prozessparameter, beispielsweise die Reinigerkonzentration, der Verschmutzungsgrad der Reinigungsmedien und der Filterzustand bei wässrigen Reinigungsprozessen, kann mit entsprechenden Messgeräten erfolgen. Sie ermöglichen nicht nur die exakte Dokumentation der Zustände während der Reinigung, sondern lassen sich auch nutzen, um etwa eine bedarfsgerechte Nachdosierung von Reinigungsmedium automatisch und ohne Eingreifen des Maschinenbedieners auszulösen.

Trockene und partielle Bauteilreinigung

Der fortschreitende Leichtbau mit beispielsweise Aluminium, Verbundwerkstoffen und neuen Materialkombinationen verändert die Anforderungen an die Reinigung ebenfalls. Sei es, dass sich die Werkstoffkombination nicht für eine nasschemische Reinigung eignet, nur bestimmte Bauteilbereiche wie beispielsweise Klebe-, Schweiß- und Dichtflächen einen definierten Sauberkeitsgrad erfordern oder die Reinigung bei montierten Komponenten erfolgt. In diesen Fällen können alternative, trockene Verfahren wie die CO2-Schneestrahl-, Druckluft-Ionisations-, Laserstrahl- oder Plasmareinigung Trümpfe ausspielen. Diese Technologien lassen sich einfach automatisieren und in Fertigungslinien integrieren. Sie bieten dabei auch den Vorteil, dass die erforderliche Sauberkeit just-in-time erzeugt wird und keine Maßnahmen für deren Erhaltung erforderlich sind.

Sauberkeitskontrolle – immer häufiger

Die Kontrolle der partikulären Sauberkeit nach VDA Band 19, Teil 1, ist in der Automobilindustrie inzwischen fester Bestandteil des Qualitätswesens. Dabei zeichnet sich ab, dass die Prüfung nicht nur bei immer mehr Bauteilen durchzuführen ist, sondern auch in regelmäßigeren Abständen. Dafür entwickeln die Hersteller von Prüfsystemen Lösungen, die eine einfachere und schnellere beziehungsweise prozessnahe Kontrolle ermöglichen.

Verstärkt in den Fokus von Fahrzeugherstellern und Zulieferern rücken filmische Restkontaminationen wie etwa Fett- und Ölrückstände, Kühlschmierstoffe oder Trennmittel. Kein Wunder, erfordern doch Prozesse wie Kleben, Schweißen, Beschichten und Härten öl- und fettfreie Oberflächen, wobei dies keine quantifizierbare Sauberkeitsspezifikation ist. Allerdings gestaltet sich die Definition von Grenzwerten bei filmischen Verunreinigungen deutlich schwieriger als bei Partikeln. Dies liegt nicht zuletzt daran, dass für viele Fragestellungen noch keine geeigneten Messverfahren existieren.

Für den Nachweis filmischer Rückstände stehen unterschiedliche Lösungen wie Testtinten, Kontaktwinkelmessung und Fluoreszenzmessung zur Verfügung, die jedoch nur ein qualitatives beziehungsweise semi-quantitatives (vergleichendes) Ergebnis liefern. Ein relativ neues Messverfahren extrahiert filmische Kontaminationen durch vakuuminduzierte Desorption von der Bauteiloberfläche. Es wird dadurch möglich, filmische Verunreinigungen auf der gesamten Oberfläche einzelner Bauteile, von Baugruppen oder Bauteilchargen beliebiger Geometrie, qualitativ und quantitativ nachzuweisen.

Um auch filmische Kontaminationen besser spezifizieren und kontrollieren zu können, arbeiten Industrie, Verbände und Forschungseinrichtungen an entsprechender Messtechnik sowie an Handlungsempfehlungen und Regelwerken. Doris Schulz

Die Roboterzelle ist mit einem speziell für den Einsatz in Reinigungsanlagen entwickelten Scara-Manipulator und einer gemeinsamen CNC-Steuerung für Manipulator und Reinigungsanlage ausgestattet (Bild: Dürr Ecoclean)

 

Durch die gezielte Anordnung der rotierenden Düsen entfernt der Druckluftstrom bei montierten Teilen lose Partikel selbst aus schwer zugänglichen Geometrien (Bild: Dr. Escherich)

 

Für die Reinigung von Großmotorteilen, beispielsweise Zylinderkurbelgehäusen für Baumaschinen, wurde diese Roboterzelle entwickelt (Bild: Sturm)

 

Die optimale Abstimmung von Chemie, Anlagen und Verfahrenstechnik auf Bauteil, Verschmutzung und Sauberkeitsanforderungen ist Voraussetzung für prozesssichere und effiziente Reinigungsprozesse (Bild: MAFAC)

 

Das Online-Messsystem überwacht die Reinigungskonzentration im laufenden Prozess und löst bei Bedarf eine automatische Nachdosierung aus (Bild: SensAction)

 

Geht es darum, Schweiß-, Klebe- oder Dichtflächen partiell zu reinigen, bieten sich trockene Verfahren wie die CO2-Schneestrahlreinigung an (Bild: acp – advanced clean production)

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