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Automobillackierung

Automobillackierung: 21.01.2011

Hochkomplexe Lackierprozesse durchgehend und transparent visualisieren

Für eine optisch ansprechende und gleichzeitig funktionale Oberfläche eines Automobils ist eine Vielzahl von Verfahrensschritten notwendig. Die Software  "zenon" von Copa-Data bildet dieses komplexe Gefüge aus Verfahrens- und Fördertechnik übersichtlich ab und verwaltet es umfassend.

Jede Karosse im Blick: Alle Prozesse der Lackieranlage sind durchgängig visualisiert, hier eine Darstellung der Lackapplikation. Quelle: Copa-Data

Jede Karosse im Blick: Alle Prozesse der Lackieranlage sind durchgängig visualisiert, hier eine Darstellung der Lackapplikation. Quelle: Copa-Data

Komplexe Prozesse in der ­Lackiererei erfordern voll automatisierte Anlagen, die vernetzt arbeiten und den steigenden Anforderungen gewachsen sind. Roboter und Lackiermaschinen tragen in vielen Arbeitsgängen mehrere Lackschichten auf die Karosserien auf, die Prozesse sind heute annähernd vollständig automatisiert. Gleichzeitig müssen sie so flexibel gestaltet sein, dass auf einer Fertigungslinie Karosse­rien verschiedener Modelle aus unterschiedlichen Werkstoffen perfekt beschichtet und in zahlreichen Farben lackiert werden können. Kunden der BMW Group können heute zwischen 20 Serienfarben und mehr als 300 Individuallackierungen auswählen. Bevor es jedoch zum Kunden geht, muss ein Fahrzeug viele Prozesse durchlaufen.

Modernste Lackierverfahren

Die Lackiertechnologie gilt als eine der sensibelsten Prozesse im modernen Automo­bilbau. Beim Lackieren sind höchste Präzision und innovative Technologien gefragt, damit möglichst wenig Lack ver­loren geht und die Emissionen für die Umwelt gering gehalten werden. Gleichmäßig aufgetragen entfaltet der Lack seine Schutzfunktion für die Karosserie und sorgt mit einer hohen Farbbrillanz für eine schöne, glänzende Oberfläche. Über vollautomatische Fördersysteme beliefert der Karosseriebau die Lackiererei mit ­Karosserien. Der nachfolgende Lackierprozess besteht dann aus mehreren Schritten. In der Lackiererei wird die Karosserie zunächst mit einem Rotationstauchverfahren entfettet und gereinigt, um eine klinisch reine Oberfläche zu erhalten. Danach werden die Karosserien auf einem Fördersystem in senkrechter oder waagrechter Position in Bäder getaucht. Diese so genannten "Vario-Shuttles" – Transporteinheiten mit eigenem Elektroantrieb – erlauben Dreh-, Kipp- und Rollbewegungen beim Durchlaufen der Tauchbecken, die für jeden Karosserietyp individuell programmierbar sind. Nachdem die Karosserien mit einer Zinkphosphatschicht überzogen sind folgt die Korrosionsschutzschicht, die mit Hilfe der Kathodischen Tauchlackierung (KTL) auf die elektrostatisch geladene Karosserie aufgetragen wird. Haben Mensch und Roboter die verschiedenen Verbindungsstellen dann abgedichtet, wird der Unterbodenschutz aufgespritzt und anschließend im Trockner vernetzt. Nach einem Anschleifen der KTL-Schicht wird mit dem Füllerlack die zweite Schicht auf die Karosserie aufgetragen. Er dient dazu, auch kleinste Unebenheiten auszugleichen. Erst wenn der Füller eingebrannt und angeschliffen ist, folgt die Decklackierung in der vom Kunden bestellten Farbe. Füller und Decklack werden von Robotern mittels Hochgeschwindigkeits-Rotationsglocken aufgetragen. Sie drehen sich bis zu 40.000 Mal in der Minute und sorgen für die gleichmäßige Verteilung der elektrostatisch geladenen Lackpartikel auf der geerdeten Karosserie – sowohl außen als auch im Fahrzeuginnenraum. Die vierte und letzte Lackschicht ist der Pulverklarlack, der der Karosserie Glanz verleiht. Bereits seit dem Jahr 1997 nutzt BMW diese besonders umweltverträgliche Methode in der Oberflächentechnik, die so genannte Pulverlacktechnologie. Alle BMW 1er und 3er Mo-delle laufen über die gleiche vollautomatische Lackierstraße, die dank modernster Ro­botertechnologie hochflexibel ist. Das Multimetall-Behandlungsverfahren ermöglicht es, Karosserien mit verzinkter Stahloberfläche (BMW 1er und 3er) im Mischdurchlauf mit Karosserien, die teilweise aus Aluminium (BMW M3) bestehen, zu behandeln. Flexibilität, Durchgängigkeit und Wartungsfreundlichkeit sind für Manfred Bachhuber und Norbert Schottenheim, verantwortliche Mitarbeiter der Strukturplanung Lackiererei im BMW Werk Regensburg wichtige Kriterien für die Anlagen.

HINTERGRUND
Die Verfahrens- und Fördertechnik-Anlagen umfassen insgesamt mehr als 2000 logische Stellplätze. An strategischen Positionen der Anlagen werden die benötigten Karossendaten an die jeweils am Produktionsprozess beteiligten Systeme übertragen. Um dies übersichtlich darzustellen, haben die Verantwortlichen die Anlagen der Oberflächentechnik in einem "zenon"-Dachprojekt zusammengefasst. Damit ist die Gesamtlösung zentral aufgebaut, auch alle Daten werden zentral gehalten. Die verwendeten Symbole sind standardisiert und in der Symbolbibliothek abgelegt, alle Schablonen, Schriftarten, Farben, etc. sind einheitlich festgelegt, um eine standardisierte Bedienoberfläche zu schaffen. Auch die Schnittstellen zu den Steuerungen sind fest definiert. Dies gewährleistet eine fehlerfreie Projektumsetzung.

Anlagen und Prozesse sicher überwachen

"Die Anforderungen an die Produktionstechnologie und im speziellen an die Oberflächentechnik werden immer komplexer und umfangreicher. Wir benötigen hierfür eine Software, die diesen Herausforderungen gewachsen ist. ,zenon‘ kann dies leisten", erklärt Norbert Schottenheim. "Heute haben wir mit ,zenon‘ eine Lösung, mit der die Mitarbeiter von jedem beliebigen PC – vor Ort an der Anlage oder flexibel vom Büro aus – alle Anlagen in der Oberflächentechnik beobachten und bedienen können. Das gilt sowohl für Führungskräfte, als auch für die verantwortlichen Kollegen." In der Oberflächentechnik und diesem komplexen Gefüge aus Steuerungssystemen für die Verfahrens-, Applikations- und Fördertechnik gibt es kaum eine SPS, auf die "zenon" nicht zugreift. Dabei läuft die Kontrolle der gesamten Fördertechnik auf Windows CE, die Überwachung aller anderen Anlagen laufen auf PCs, die wiederum nach dem Client/Server-Prinzip aufgebaut sind. Bei den PCs handelt es sich teils um herkömmliche Standard-PCs, teils um Industrie-PCs wie beispielsweise in der Applikationstechnik. "zenon" leistet über alle Anlagen und die gesamte Fördertechnik hinweg die Produktionsverfolgung, Anlagen- und Prozessüberwachung. Und dies sehr detailliert – von Temperaturentwicklungen über einzelne Aggregate bis hin zum Öffnungswinkel verschiedener Ventile und Posi­tionen verschiedener Stellklappen. Die aufgezeichneten Informationen und Kurzzeit-Trends werden rollierend gelöscht, da sie für die Instandhaltung nur begrenzte Zeit zur Verfügung stehen müssen. Daten, die langfristig benötigt werden, können in einer Oracle-Datenbank abgelegt werden.

Füller und Decklack werden von Robotern mit Rotationsglocken aufgetragen.

Füller und Decklack werden von Robotern mit Rotationsglocken aufgetragen.

In der Lackiererei wird die Karosserie zunächst entfettet und gereinigt. Quelle (zwei Fotos): BMW

In der Lackiererei wird die Karosserie zunächst entfettet und gereinigt. Quelle (zwei Fotos): BMW

Geringerer Instandhaltungsaufwand

An jedem relevanten PC und damit in der gesamten Lackiererei stehen umfangreiche Daten zu jeder Karosserie, die sich in der Oberflächentechnik befindet, parat – vom Lackierauftrag über die Rohkarossenmerkmale bis hin zu Typen und einzelnen Lackier-Parametern. Die Kopplung aller Rechner ist konsequent über Ethernet mit TCP/IP als Übertragungs­protokoll umgesetzt. Um die Anlage vor dem Zugriff Unberechtigter zu schützen, haben Norbert Schottenheim und Manfred Bachhuber persönliche Benutzerrechte (auf Basis eines Elektronic-Key-Systems) sowie ortsgebundene Benutzerrechte (abgeleitet vom IP-Namen des jeweiligen PCs) vergeben. Für Sicherheit sorgt auch die Möglichkeit, alle Ereignisse und auch alle Bedienhandlungen zu diagnostizieren. Würde es beispielsweise zu einer Fehlbedienung kommen, ein Rechner seine Netzwerkanbindung verlieren oder eine Karosserie in der Anlage den falschen Weg nehmen, könnten die Mitarbeiter diese Vorgänge umgehend analysieren und darauf reagieren. Manfred Bachhuber: "Neben der Sicherheit, die ,zenon‘ bietet, ist es für uns besonders wichtig, dass die Lösung konsequent redundant umgesetzt ist. Das garantiert uns höchste Verfügbarkeit und einen durchgängigen Betrieb." Die chronologische Ereignisliste CEL in ,zenon‘  gewährleistet dabei die Aufzeichnung aller Vorkommnisse. Die größte Herausforderung in diesem sehr komplexen Projekt in der Oberflächentechnik war es, in einer umfassenden und gleichzeitig wachsenden Infrastruktur stets schnelle Prozess- und Reaktionszeiten zu gewährleisten. Basis hierfür ist es, dass alle notwendigen Informationen sehr schnell aktualisiert werden. Die Anlagenvisualisierung in der Oberflächentechnik kennzeichnet vor allem eines: eine hohe Anzahl an Variablen. Ein besonderes Highlight bei BMW im Werk Regensburg ist deshalb der spontane Informationsabgleich zwischen den Steuerungen und ,zenon‘. Werden alle Variablen zyklisch ausgelesen (Polling), kann es zu einer Zeitverzögerung kommen bis die Änderung einer Variablen in der Visualisierung angezeigt wird.

Kommunikation in Hochgeschwindigkeit

Ein weiterer Faktor für mögliche Verzögerungen ist die Belastung der SPS mit anderen Kommunikationsprozessen. Die Idee, die Manfred Bachhuber, Strukturplanung Lackiererei bei BMW im Werk Regensburg, und seine Kollegen hatten, war es, Variablen sofort bei Änderung an die Visualisierung weiterzugeben. Dies steigerte die Aktualisierungsrate um ein Vielfaches. Gleichzeitig werden geringere Datenmengen übertragen und das Gesamtsystem wird somit entlastet. Hierzu kommunizieren die SPS und die Treibersoftware der Visualisierung über einen vereinbarten Datenbaustein. Für beide Kommunikationsrichtungen gibt es je ein Übergabefach. Für die Kommunikation ist es nicht notwendig, eine Verbindung auf dem Kommunikationsprozessor zu projektieren. Da die Daten asynchron zum SPS-Zyklus übertragen werden, wird zur Koordination je ein Handshake-Bit verwendet. Der Treiber meldet beim Bildaufbau die benötigten Variablen bei der SPS an bzw. ab. Die SPS verwaltet eine Liste aller angemeldeten Variablen. Bei Anmeldung einer Variablen übergibt der Treiber die Information, ob es sich um einen Datenbaustein, einen Merker, Eingang oder Ausgang handelt, sowie Adresse und die Länge. BMW Regensburg erreicht heute in der Oberflächentechnik auch bei mehr als 20.000 Variablen eine Aktualisierungszeit im Bereich von 100 bis 200 Millisekunden. "Copa-Data war unserer Idee gegenüber sehr aufgeschlossen und hat unser Konzept mit großem Interesse aufgenommen. Dank des intensiven Dialogs konnten wir ein System schaffen, in dem alle Komponenten optimal zusammen­spielen", ergänzt Manfred ­Bachhuber, der innerhalb der Strukturplanung der Lackiere­-rei im BMW Werk Regensburg schwerpunktmäßig für die Leitsystemebene verantwortlich ist.

Ing. Punzenberger Copa-Data GmbH, Ottobrunn, Jürgen Schrödel, Susanne Garhammer, Tel. +49 89 660298- 941, susanne.garhammer@copadata.de, www.copadata.de

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