Eisengussteile-Säuberung ohne Nacharbeit : Roboter-Bearbeitungszelle schließt Automatisierungslücke

Wenn sie das Wort Gusseisen hören, denken viele an das Grillen im Garten oder an architektonische Gestaltungselemente aus früherer Zeit, etwa Straßenlaternen, Kanaldeckel, Hydranten oder Brückengeländer. Obwohl Gusseisen dort mittlerweile weitgehend von anderen Materialien verdrängt wurde, gehört der Werkstoff noch lange nicht zum alten Eisen. Weil sich Gusseisen aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunktes sehr gut zum Gießen eignet, ist es das Material der Wahl für hoch belastete Komponenten für die Motoren oder den Antriebsstrang von Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.

Das weltweit tätige schweizer Industrieunternehmen Georg Fischer (GF) bietet Produkte und Lösungen für den sicheren Transport von Flüssigkeiten und Gasen sowie leichte Gusskomponenten und Hochpräzisions-Fertigungstechnologien an. 1802 gegründet, entwickelte GF 1897 sein erstes Automobilteil. Sein Tochterunternehmen GF Casting Solutions GmbH in Leipzig fertigt Strukturteile aus Eisenguss für land- und forstwirtschaftliche Maschinen und Baumaschinen sowie für erneuerbare Energieanlagen. 

„Gießtechnologie ist die beste Wahl für ein hohes Maß an funktionaler Integration in komplexen Komponenten“, weiß Produktionsleiter Andriy Malaschkin. „Wir unterstützen unsere Kunden bei der Entwicklung und Produktion hochkomplexer Eisengusslösungen bis zu einem Kastenformat von 2.500 x 1.600 x 500 mm.“ Dabei deckt das Unternehmen mit zertifiziertem Umweltmanagementsystem die gesamte Prozesskette ab, von Form- und Kernherstellung über Schmelzen und Gießen sowie Beschichten bis hin zu CNC-Bearbeitung und Montage.

Nach dem Gießvorgang weisen die Teile an den Formtrennstellen und Angusskanälen noch überschüssiges Material in Form von Anschnitten, Graten und Speisern auf. Diese müssen vor der weiteren Verarbeitung entfernt werden. Für diese Aufgabe verwendet GF Casting Solutions Leipzig bereits seit Jahren einige automatisierte Putzstationen. Darin erledigt ein Industrieroboter vollautomatisch die verschiedenen Bearbeitungsschritte.

Das funktioniert bei den meisten Werkstücken sehr gut, bei einigen Teilen wirken sich allerdings die häufigen Werkzeugwechsel und nestbedingte Schawnkungen der Maßhaltigkeit auf die Taktzeit aus. Unter anderem deshalb, aber auch weil die bestehenden Anlagen voll ausgelastet waren, erfolgte das Putzen dieser Teile bis vor kurzem zu einem großen Teil von Hand oder wurde teilweise an externe Dienstleister vergeben. „Für diese körperlich anstrengende, laute, schmutzige und eintönige Arbeit Personal zu finden, wird zunehmend schwieriger“, berichtet Andriy Malaschkin. „Auch die Fremdvergabe kann auf Dauer keine Lösung sein, denn der Transport ist mit Verzögerungen, Kosten und Unvorhersehbarkeiten verbunden.“

Deshalb machte sich der Produktionsleiter auf die Suche nach einer Lösung zur Automatisierung des Entgratens und des Entfernens von Speisern von Teilen bis 250 kg. Diese musste die Bearbeitung zahlreicher verschiedener Teile auf der Grundlage der Soll-Konturen aus ihren CAD-Daten mit kurzen Zykluszeiten ermöglichen und so die genannte Automatisierungslücke schließen.

Da kleinere Teile häufig zu mehreren aus einer Form kommen, sollte die Bearbeitung auch Unterschiede im Restmaterialaufkommen bei Teilen aus verschiedenen Formnestern berücksichtigen können. Laut Andriy Malaschkin waren diese nestbedingten Differenzen die Hauptursache dafür, dass sich dieser Vorgang bisher der Automatisierung widersetzte.

Von den eingeladenen Maschinenbau-Unternehmen präsentierte FILL das überzeugendste Konzept. Die Maschinenbauexperten des weltweit tätigen österreichischen Premiumherstellers entwickeln und produzieren seit beinahe 30 Jahren Anlagen und Maschinen für die Gießereitechnik.

FILL entwickelte nach den Vorgaben GF Casting Solutions eine gänzlich neue Putz- und Schleifzelle, bei der als zentrales Element ein Roboter zum Einsatz kommt. Damit enden allerdings schon die Ähnlichkeiten mit den bestehenden Anlagen. „Um die geforderten Zykluszeiten zu erreichen, haben wir die Bearbeitungslogik umgekehrt“, erklärt Thomas Rathner, Leiter des Kompetenz Centers Gießereitechnik bei FILL. „Beim GRIND PERFORMER bewegt der Roboter nicht das Werkzeug zum feststehenden Werkstück, sondern das Werkstück zu den verschiedenen, fix positionierten Werkzeugen.“ Das eliminiert die Verzögerungen durch den ansonsten erforderlichen Werkzeugwechsel.

Ebenfalls zeitsparend erfolgt die Beschickung der Bauteile in die Schleif- und Entgratungszelle über einen Drehtisch. Auf diesem wird das Werkstück nicht aufgespannt, sondern flach aufgesetzt. Ein Kamerasystem erkennt das Bauteil selbst und dessen Lage und Orientierung, sodass der Roboter es korrekt anfahren und aufnehmen kann.

Ein weiteres Kamerasystem identifiziert die am Bauteil in Klarschrift angebrachte Formnest-Identifikation. Diese Information ermöglicht das Abrufen einer Formnest-spezifischen Variante des Bearbeitungsprogramms, die im Zuge des Einfahrens eines neuen Bauteils geschaffen wurde. „Beim Verputzen von Hand kann der Werker spontan auf die unterschiedlichen Fehlerbilder reagieren“, sagt Andriy Malaschkin. „Obwohl die Maschine das nicht kann, erzielt sie mit der nestspezifischen Programmierung ein äußerst gleichmäßiges Ergebnis, und das mit gleichbleibend hoher Qualität.“

Nach dem Abschlagen des Speisers mittels eines hydraulischen Hammers fährt der Roboter mit dem Werkstück mehrere Schleif-, Trenn-, und Fräswerkzeuge an. Dabei werden sämtliche Grate und sonstiges überschüssiges Material entfernt. „Eine gewisse Herausforderung bestand darin, feine Grate nicht bloß umzulegen, sondern tatsächlich vollständig zu entfernen“, berichtet Thomas Rathner. „Bis wir hier das gewünschte 100 % Ergebnis erzielten, mussten wir einige Versuchsreihen mit verschiedenen Schleif- und Bearbeitungswerkzeugen durchführen.“

Keine Experimente sind für Programmierung und Betrieb der Roboter-Putzzelle erforderlich. Die Bedienung des GRIND PERFORMER erfolgt über CYBERNETICS STUDIO, ein von FILL selbst entwickeltes Software-Tool, das eine einfache Programmierung ermöglicht. Um ein neues Bauteil anzulegen, brauchen Mitarbeitende keine Programmierkenntnisse. Sie legen über visuelle Einstellungen an dessen 3D-Modell die erforderlichen Bearbeitungsschritte und Prozessparameter fest. Dabei teilen sie dem Maschinenprogramm auch mit, wo – etwa aufgrund der aus den CAD-Daten der Gussform bekannten Formtrennlinien – Grate oder ähnliches zu erwarten sind.

Die Ausführung der so geschaffenen Programme erfolgt stets auch in der Computersimulation am digitalen Zwilling der Anlage. So lassen sich nicht nur Kollisionen im Arbeitsraum zuverlässig vermeiden. Da die Simulation auch hauptzeitparallel mitläuft, hilft sie dabei, ungeplante Zustände oder Abweichungen vom Soll frühzeitig zu erkennen und auf diese angemessen zu reagieren. Auch spätere Änderungen oder Optimierungen an den Programmen lassen sich mittels Parametrierung sehr einfach einbringen.

Noch vor der endgültigen Systementscheidung wurden bei allen in der engeren Auswahl stehenden Herstellern Versuche durchgeführt, so auch im Test Center am Hauptstandort von FILL in Gurten (Oberösterreich). In weiterer Folge erhielt FILL den Auftrag für die noch einzigartige Anlage. Etwa ein Jahr später wurde diese geliefert und in Betrieb genommen.

„Wie bei einer erstmalig hergestellten Anlage nicht anders zu erwarten, waren danach noch einige Optimierungen erforderlich“, bestätigt Andreas Sallaberger, Vetrieb und Projektierung Gießereitechnik bei Fill. „Vor allem die Zuverlässigkeit der Klarschrifterkennung für die Nest-Identifikation musste aufgrund uneinheitlicher Schriftbilder erst auf das erforderliche Maß erhöht werden.“

Neben der Verbesserung der Arbeitsbedingungen für das Personal durch den Entfall des manuellen Putzens bringt der GRIND PERFORMER eine hohe Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsschritte. Nicht zuletzt die nestspezifischen Programmversionen sorgen für eine gleichbleibend hohe Qualität der nachbearbeiteten Bauteile.

„Das automatisierte Putzen der neuen Eisengussteile im GRIND PERFORMER ist ein weiterer wichtiger Schritt zur Automatisierung unserer Prozesskette und liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Standortsicherung“, bestätigt Matthias Heinrich, Geschäftsführer von GF Casting Solutions Leipzig. „Im Gegensatz zu den Bestandsmaschinen ist bei dieser Anlage fast keine Nacharbeit erforderlich“.