Automatisierung von Gießereien mit Hilfe von Robotern

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1 Automatisierung von Gießereien mit Hilfe von Robotern Die rauhe Umgebung in Gießereien stellt hohe Anforderungen an Ausrüstungen für die automatisierte Fertigung. ABB Flexible Automation mit über 25jähriger Erfahrung aus zahlreichen Anwendungsgebieten hat u. a. verschiedene Applikationen mit speziell auf Gießereien zugeschnittenen Industrierobotern entwickelt. Weltweit arbeiten heute mehr als 3000 ABB- Roboter in Gießereien. D ie Automatisierung des Gießprozesses mit Hilfe von Robotern führt nicht nur zu einer höheren Produktivität bei gleichbleibender Qualität und weniger Ausschuß, sondern sie hat der Industrie auch die Weiterentwicklung der Gießverfahren ermöglicht. Die in den letzten Jahren errichteten Gießereien besonders aber die Aluminiumgießereien haben die Branche in vielerlei Hinsicht zu einem Neudenken angeregt. Mit Industrierobotern läßt sich auch in Gießereien eine hohe Flexibilität mit kurzen Rüstzeiten beim Wechsel zwischen unterschiedlichen Produkttypen erzielen. Zunehmende Bedeutung von Aluminiumgußteilen Vor allem in der Automobilindustrie gewinnt Aluminium immer größere Bedeutung, da der Brennstoffverbrauch und damit das Gewicht der Fahrzeuge gesenkt werden muß. Ein anderes Ziel ist ein problemloses Recycling beim Verschrotten der Fahrzeuge. Bei nahezu 40 Millionen Kraftfahrzeugen, die jährlich produziert werden, besteht hier ein großes Potential zur Verringerung der Umweltbelastung. Das automatisierte Druckgießen von Aluminiumteilen mit Hilfe von Robotern ist eine etablierte Technik 1, während sich Roboterapplikationen für Sandguß erst in den letzten Jahren durchgesetzt haben. Mengenmäßig macht Druckguß heute ca. 60 % aus, Sandguß dagegen knapp 10 %. Breitgefächtertes Sortiment von Robotermodellen ABB Flexible Automation verfügt über ein breitgefächertes Sortiment von Robotermodellen für unterschiedliche Applikationen. Für mehrere dieser Modelle wurden spezielle Versionen mit der Zusatzbezeichnung F (Foundry) entwickelt, die auf den Einsatz in der rauhen Umgebung von Gießereien zugeschnitten sind 2. Sie haben gut geschützte Gelenke und an empfindlichen, besonders beanspruchten Teilen zusätzliche Abdichtungen gegen Flüssigkeiten und Staub, so daß die Wiederholgenauigkeit der Roboter durch die rauhe Umgebung nicht beeinträchtigt wird. ABB-Roboter entsprechen den Schutzarten IP55, 66 und 67 nach DIN bzw. IEC-Publ Sie haben einen mittleren Ausfallabstand (MTBF) von h also eine hohe Verfügbarkeit. Roboterhandgelenk für rauhe Umgebung Das Handgelenk eines Roboters ist ein besonders stark beanspruchter Teil des Sven Sjöqvist ABB Robotics Products AB Roboterarms. In Gießereien kommt es oft mit Formsand, versprühten Flüssigkeiten und heißen Gußstücken in Berührung. Deshalb wurde ein spezielles Handgelenk entwickelt, das Staub, Dämpfe und hohe Temperaturen verträgt 3. Roboter für Handhabung und Montage in der Formerei Das Gießen von Werkstücken in Sandformen stellt einen wachsenden Anteil der heutigen Gußproduktion dar. Sandformen sind «Wegwerfware», da für jedes gefertigte Produkt eine neue Form benötigt wird. Sandformen bestehen meistens aus verschiedenen und z. T. schweren Teilformen, ihre Handhabung ist entsprechend schwierig. Die Entwicklung geht außerdem in Richtung immer größerer Gußstücke. Damit erhöhen sich auch Komplexität und Masse der Sandformen. Für die Herstellung von Sandformen wurden bisher nur selten Roboter eingesetzt. Die Entwicklung von Roboterapplikationen zur rationellen Herstellung von Sandformen ist heute ein stark expandierendes Gebiet 4, denn das Sandformverfahren mit seinen vielen Montageaufgaben sowie dem Anheben und Versetzen von Formteilen ist für die Automatisierung mit Hilfe einer Kombination aus Gelenkarm- und Portalrobotern besonders geeignet. ABB hat bis jetzt über 300 Anlagen geliefert, bei denen Roboter sowohl zur Montage und Handhabung von Sandformen als auch zur Nachbearbeitung von Gußstücken eingesetzt werden. Die Vielseitigkeit der Roboter läßt sich am besten nutzen, wenn man Mehrfach-Produktionszellen für mehrere Arbeitsgänge einrichtet. Damit steigt zugleich der wirtschaftliche Nutzen der Anlage. Robotergestützte Aluminiumgießerei im Ford-Werk Windsor Eine der modernsten Aluminiumgießereien der Welt befindet sich im Werk Windsor von Ford, Kanada 5. Man hat hier über 100 Gelenkarm- und Portalroboter von ABB Flexible Automation für die automa- 40 ABB Technik 1/1997

2 Zylinderblöcke, Zylinderköpfe, Radfelgen usw. für Automobile werden in zunehmendem Maße aus Aluminium gefertigt. Der Bedarf an Aluminiumgußteilen nimmt deshalb stark zu. 1 tisierte Fertigung von Zylinderblöcken und -köpfen für unterschiedliche Motorengrößen eingesetzt. Das Werk verfügt über eine jährliche Fertigungskapazität von rund 1 Million Motoren verschiedener Größe. Bereits bei der Projektierung des Werks bestand die Vorgabe, auf das Personal zugeschnittene, ergonomische und umweltfreundliche Arbeitsplätze zu schaffen. Die Produktionslinien sind dabei auf möglichst vielseitige Verwendbarkeit ausgerichtet, so daß sie jederzeit ohne großen Aufwand den sich ändernden Anforderungen der Produktion angepaßt werden können. Der Werksteil für die Herstellung der Sandformen ist in zwei Einheiten aufgegliedert, eine für die Zylinderblöcke und eine für die Zylinderköpfe. Durch Schaffung einer Produktionskette mit 38 gleichen Produktionszellen ist die Anlage sehr flexibel einsetzbar. Jede Einheit hat eine Kapazität zur vollautomatischen Herstellung von 60 Sandformen je Stunde und ist mit einem System zum schnellen Werkzeugwechsel ausgerüstet. Automatischer Aufbau der Gießformen Jede Teilform wird in einer speziellen Maschine hergestellt. Die komplette Sandform wird Schritt für Schritt auf einer Palette aufgebaut, die auf einer Monorail- Bahn von Produktionszelle zu Produktionszelle fährt 6. Eine komplette Sandform, z. B. zum Gießen eines Zylinderblocks für einen 3-Liter-Motor, besteht aus Produktepalette von ABB 2 Flexible Automation. Spezielle Versionen mit der Zusatzbezeichnung F (Foundry) eignen sich für den Einsatz in der rauhen Umgebung von Gießereien. ABB Technik 1/

3 Spezialhandgelenk für die Gießereiversion eines Roboters. Es verträgt Formsand, Staub, versprühte Flüssigkeiten und hohe Temperaturen. 3 Roboterapplikation zur Fertigung von Sandformen für das Gießen von Werkstücken 4 18 Teilen unterschiedlicher Größe und kann bis zu 200 kg wiegen. Die Produktionszellen sind insgesamt mit rund 90 Robotern IRB 6000 bestückt. Jede Sandformmaschine wird von zwei Gelenkarm-Robotern bedient, die entweder selbständig oder paarweise arbeiten. Der Roboter hebt die Teilform aus der Formmaschine, setzt sie in einem Zwischenlager ab oder montiert sie direkt an der vorgesehenen Stelle auf der Palette und trägt anschließend das Bindemittel Aluminiumgießerei im Werk Windsor von Ford, Kanada. Es ist eine der modernsten und am weitesten automatisierten Anlagen der Welt. Über 100 Gelenkarm- und Portalroboter von ABB Flexible Automation produzieren Zylinderblöcke und -köpfe für unterschiedliche Motorentypen ABB Technik 1/1997

4 auf. Das Personal muß lediglich die Produktionszellen überwachen und die fertigen Formteile kontrollieren. Ein Bedienungsmann ist dabei für zwei Produktionszellen zuständig. Zur Nachbearbeitung mit Hilfe von Portalrobotern Die komplette Sandform wird auf einer Monorail-Bahn in die Gießerei transportiert 7. Letztere besteht aus zwei Einheiten, eine für die Zylinderblöcke und eine für die Zylinderköpfe. Für die Handhabung der Sandformen während des Gießprozesses stehen neun Portalroboter zur Verfügung. Ein Roboter IRB 8700L hebt die Sandformen von der Palette und bringt sie zum Gießplatz. Die leere Palette wird mit der Monorail-Bahn zur Sandformherstellung zurückgebracht. Zwei mit Doppel-Hubeinheiten versehene Portalroboter übernehmen die Handhabung der Zylinderblockformen, während ein Portalroboter mit Einzel-Hubeinheit für die Zylinderkopfformen zuständig ist. Nach dem Gießprozeß setzt ein Portalroboter IRB 8700A die Formen mit den Gußteilen auf Paletten, die Platz für je sechs Einheiten haben. Der Roboter ist mit drei Hubeinheiten, je mit einer Tragkraft von 700 kg, ausgerüstet. Die Paletten werden in eine Anlage zum Putzen der Gußteile transportiert. Ein weiterer Portalroboter hebt dort die Formen von den Paletten und setzt sie auf ein Förderband, das durch eine Anlage zur Entfernung des Formsands läuft. Anschließend werden die Gußstücke einer Wärmebehandlung unterworfen, während der Formsand wieder aufbereitet wird. Ein Portalroboter IRB 8510A bringt das freigelegte Gußstück anschließend zur Nachbearbeitung 8. Zum Transport zwischen den Bearbeitungsmaschinen und dem Zwischenlager dienen drei lineare Portalroboter IRB 8510L. Aufbau von Gießformen im Werk Windsor von Ford, Kanada. Die Gießform wird Schritt für Schritt auf einer Palette aufgebaut, die auf einer Monorail-Bahn von Produktionszelle zu Produktionszelle fährt. Transport der bis zu 200 kg schweren Sandformen in die Gießerei 7 6 Umfassendes Know-how für die Automatisierung von Gießprozessen In mehr als zwei Jahrzehnten hat ABB Flexible Automation in enger Zusammen- ABB Technik 1/

5 Ein Roboter ist vielseitig verwendbar und läßt sich auf einfache Weise umprogrammieren, um einen anderen Arbeitsvorgang auszuführen, wie z. B. Nachbearbeitung von Gußstücken. Die neueste Gießereiapplikation ist ein Roboter IRB 4000 mit verlängertem Gelenkarm, der besonders auf das Aufsprühen von Trennmitteln auf Druckgießformen zugeschnitten ist. Er wird oben auf der Druckgießmaschine montiert. Auf dem Handgelenk ist eine Spezialdüse montiert, die alle Flächen des Werkzeugs erreichen kann. 8 9 arbeit mit den Kunden und anderen ABB- Unternehmen ein umfassendes Knowhow für die Automatisierung von Produktionsprozessen in Gießereien aufgebaut 9. Die Basis bilden die in nahezu drei Jahrzehnten mit eigenen Applikationen gesammelten Erfahrungen. Bereits 1969 wurde der erste Roboter für die Fertigung von Käfigläufern und Ständern elektrischer Maschinen aus Aluminium installiert. Dank ihrer breitgefächerten Erfahrungen auf den Gebieten der Verfahrenstechnik und Automatisierung sowie aufgrund ihrer örtlichen Präsenz ist ABB sowohl für die Projektierung als auch für die Lieferung neuer Produktionsanlagen für Gießereien ein kompetenter Partner. ABB Flexible Automation ist heute der führende Lieferant für fünf- und sechsachsige Industrieroboter im Gießereisektor. Mit Hilfe von ABB-Robotern werden jährlich ca. 6 Millionen Teile aus Aluminium hergestellt. Ausblick Wie Marktanalysen zeigen, wird die Nachfrage nach Aluminiumguß in den nächsten Jahrzehnten durchschnittlich jährlich um über t ansteigen. Das bedeutet eine Jahresproduktion von über 10 Millionen Tonnen zu Beginn des zweiten Jahrzehnts des nächsten Jahrhunderts. Es bedeutet auch, daß jährlich über 20 neue Gießereien errichtet werden müssen, um die erhöhte Nachfrage bewältigen zu können. Der Trend geht dahin, daß die großen Aluminiumerzeuger in steigendem Maße eigene Kapazitäten zur Herstellung von Fertigteilen für die Industrie schaffen. Auf dem Gießereisektor ist die robotergestützte Produktion in schnellem Wachstum begriffen. Der gesamte Marktbedarf wird auf nahezu 5000 Roboter pro Jahr geschätzt. Adresse des Autors Sven Sjöqvist ABB Robotics Products AB S Västerås/Schweden Telefax: +46 (0) ABB Technik 1/1997