06 Août 2019  |  Microtechnique
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 02/2019

Vollautomatisiert zu partikelfreien Oberflächen

Doris Schulz

Je nach Aufgabenstellung benötigen in Fahrzeugen verbaute Sensoren eine funktionelle Beschichtung, die hohe Anforderungen an die Partikelfreiheit der Oberfläche stellt. Ein renommierter Automobilzulieferer nutzt dafür ein vollautomatisiertes CO2-Schneestrahlsystem, mit dem die Reinigung im Viersekundentakt erfolgt.

Conformément aux cahiers des charges, les capteurs installés dans les véhicules doivent être dotés d’un revêtement fonctionnel posant de hautes exigences relatives à l’absence de particules sur les surfaces. Un équipementier automobile renommé utilise, à cet effet, un système de décapage à la neige carbonique permettant d’effectuer le nettoyage en quelques secondes.

Ob Verbrennungsmotor, Elektromobilität oder autonomes Fahren – die Funktion unterschiedlichster Komponenten wird in Fahrzeugen durch zahlreiche Sensoren überwacht, gesteuert und geregelt. Damit die kleinen Detektoren ihre Aufgabe optimal erfüllen können, erhalten viele eine Funktionsbeschichtung, deren Qualität entscheidend von der Sauberkeit der Oberfläche abhängt.
Dies ist auch bei keramischen Sensorbauteilen der Fall, bei denen vor der Beschichtung feiner Schleifstaub aus einem vorgelagerten Fertigungsschritt zu entfernen ist. Da diese Verschmutzung in einem klassischen nasschemischen Prozess nicht oder nur extrem aufwändig abgereinigt werden kann, entschied sich der Hersteller, ein namhafter Automobilzulieferer, für ein «quattroClean»-Reinigungssystem der acp systems AG. Die modular aufgebaute CO2-Schneestrahl-Reinigungslösung lässt sich auf kleinstem Raum in vollautomatisierte, verkettete Produktionslinien integrieren und durch übergeordnete Produktionsleitsysteme steuern oder separat einsetzen.
 
Das für die Reinigung der Sensorbauteile konzipierte «quattroClean»-System ist komplett eingehaust und verfügt über ein geschlossenes Reinigungsmodul. (Bilder: acp systems AG)
 
 
Trockene, umweltneutrale Reinigung
Als Reinigungsmedium kommt flüssiges, praktisch unbegrenzt haltbares Kohlendioxid zum Einsatz, das als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen und der Energiegewinnung aus Biomasse entsteht und daher umweltneutral ist. Es wird aus Flaschen oder Tanks zugeführt.
Das nicht brennbare, nicht korrosive und ungiftige Kohlendioxid wird durch die verschleissfreie Zweistoff-Ringdüse des Systems geleitet und entspannt beim Austritt zu feinem CO2-Schnee. Dieser wird durch einen ringförmigen Druckluft-Mantelstrahl gebündelt und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Beim Auftreffen des nicht abrasiven und gut fokussierbaren Schnee-Druckluft-Strahls auf die zu reinigende Oberfläche kommt es zu einer Kombination aus thermischem, mechanischem, Sublimations- und Lösemitteleffekt. Durch diese vier Wirkmechanismen entfernt das System den Schleifstaub und andere partikuläre Verunreinigungen von der gesamten Oberfläche sowie aus Sacklochbohrungen ebenso zuverlässig und reproduzierbar wie filmische Kontaminationen, zum Beispiel Schmauchspuren nach einer Laserstrukturierung. Die Reinigung erfolgt materialschonend, so dass auch empfindliche und fein strukturierte Oberflächen behandelt werden können. Das «quattroClean»-System lässt sich daher für praktisch alle technischen Werkstoffe und Materialkombinationen einsetzen.
 
Der Roboter entnimmt die Teile einzeln aus den Trays und platziert sie in einer Zentrierstation.
 
 
Massgeschneidertes Anlagenkonzept aus Standardkomponenten
Um sowohl die hohen Sauberkeits- als auch die Taktzeitvorgabe von nur 4 s pro Bauteil des Automobilzulieferers umzusetzen, wurde ein massgeschneidertes Anlagenkonzept entwickelt. Es basiert auf einem für zahlreiche Anwendungen einsetzbaren Standardmodul, in das der «quattroClean»-Prozess integriert ist, einem mit drei Stationen ausgestatteten Rundtakttisch sowie zwei Robotern für das Teilehandling. Durch ihre vollständig geschlossene Ausführung wird die in eine Fertigungsumgebung integrierte Reinigungslösung praktisch zu einem Sauberraum und entspricht den Vorgaben zur technischen Sauberkeit.
Ein Augenmerk legten die Konstrukteure auch auf die gute Reinigungsmöglichkeit der Anlage, was ebenfalls einen Beitrag zur effizienten Erfüllung hoher Sauberkeitsanforderungen leistet. Darüber hinaus sorgt die effektive Geräuschdämmung für eine angenehme Arbeitsatmosphäre.
 
Nach der Zentrierung entnimmt ein Greifersystem alle fünf Bauteile und setzt sich positionsgerecht in die Aufnahmen für die Reinigung ein.
 

Vollautomatischer, unterbrechungsfreier Reinigungsprozess
Die Beschickung der Anlage erfolgt für einen unterbrechungsfreien Betrieb durch drei Schubladeneinheiten, in denen sich Trays mit verunreinigten Bauteilen befinden und einzeln in den Arbeitsbereich des Roboters transportiert werden. Dieser entnimmt nacheinander fünf Teile und platziert sie in eine Zentrierstation. Da die etwa 2 cm langen und rund 0,5 cm breiten Sensorkomponenten nicht am Grundkörper berührt werden dürfen, steht für das Greifen nur eine Randzone von weniger als 1 mm zur Verfügung. Nach dem automatischen Zentrieren positioniert ein weiteres Greifersystem alle fünf Teile gleichzeitig in Aufnahmen auf einer Station des Rundschalttisches, der sie mit einer Drehung definiert in das geschlossene Reinigungsmodul transportiert. Dort befindet sich über jeder Teileposition eine Düse, die eine festgelegte Zeit auf die während des Reinigungsprozesses rotierenden Sensorkomponenten strahlt. Die abgereinigten Verschmutzungen werden zusammen mit dem Kohlendioxid durch eine aktive Absaugung mit Abscheidefilter aus dem Reinigungsmodul entfernt.
Eine weitere Schaltung bringt die Aufnahme zur Entladeposition. Hier entnimmt der zweite Roboter die gereinigten Teile und legt sie in kundenspezifischen Trays ab. In diesen werden sie zu den nächsten Prozessschritten transportiert.
 
Jedem der in den Aufnahmen platzierten und während des Reinigungsprozesses rotierenden Teile ist eine Düse zugeordnet. Sie strahlt mit definierten Parametern, die überwacht werden, auf das Werkstück.
 
 
Umfangreiche Prozessüberwachung und -anpassung
Für eine gleichbleibend hohe Prozessqualität werden die Düsen einzeln hinsichtlich CO2- und Druckluftzufuhr sowie Strahlkonsistenz und -dauer überwacht. Die ermittelten Werte werden automatisch gespeichert. Diese Parameter lassen sich ebenso wie die Rotationsgeschwindigkeit der Teile variabel einstellen und als Programme in der Anlagen- oder einer übergeordneten Steuerung hinterlegen. Diese Flexibilität ermöglicht einerseits, dass sich der Reinigungsprozess an unterschiedliche Verschmutzungsgrade anpassen lässt. Andererseits können auch Reinigungsprogramme für die Entfernung von Schmauchspuren nach der Laserbearbeitung der beschichteten Teile gespeichert werden.
Die CO2-Konzentration im Bereich des an die Fertigungsumgebung angrenzenden Ein- und Auslaufs der Anlage erfolgt entsprechend der Maschinenrichtlinie mit weltweit zertifizierten und zugelassenen Sensoren.
 
acp systems AG
Berblingerstrasse 8
D-71254 Ditzingen
Tel. +49 7156 480 140
Fax +49 7156 480 14 10
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