Montage und End-of-Line-Tests von Supercomputern

Je mehr Funktionen ein Auto umfasst, desto leistungsstärker müssen seine Steuergeräte sein. Die Nachfrage nach sogenannten Supercomputern, die neben Telekommunikation und Fahrkomfort auch das autonome Fahren unterstützen, wächst – und damit der Bedarf an Automatisierungslösungen für ihre Bestandteile. Der Automatisierer Schnaithmann Maschinenbau GmbH hat deshalb sieben KUKA Roboter so programmiert, dass sie in der Produktion von Supercomputern mitanpacken.

Intelligent programmierte Roboter montieren Supercomputer

Zielstrebig und präzise greift der Roboterarm des KR AGILUS das Kunststoffbauteil, das für den sogenannten High Performance Computer (HPC) dringend benötigt wird. Er ordnet es im richtigen Fach des Einlagerungsbuffers ein, wo ein weiterer Roboter es greift und der Bauteilkontrolle zuführt. Schnell und präzise arbeiten insgesamt sieben KR AGILUS Roboter Hand in Hand, nach einem intelligent programmierten Prozess. Sie stocken nie, lassen nichts fallen, montieren und kontrollieren die Supercomputer mit höchster Sorgfalt. Sie leisten ihren Beitrag dazu, dass nur Komponenten bester Qualität in die Supercomputer der Fahrzeuge eingebaut werden.

Aktuell erlauben die HPC unter anderem den Download von Apps und Sicherheitsupdates, langfristig sollen sie auch das autonome Fahren unterstützen. Die Hochleistungsrechner sind sozusagen das Gehirn des Fahrzeugs und müssen riesige Datenmengen verarbeiten und gleichzeitig leicht und kompakt genug sein, um auch in kleineren Fahrzeugen Platz zu finden. Um diese Hochleistungssteuergeräte wirtschaftlich produzieren zu können, braucht es effiziente und flexible Automatisierungslösungen.

Fehlerfreie Effizienz in der Montageautomation garantieren die KR AGILUS.

Für die automatisierte Montage und die End-of-Line-Tests (EOL) der Teile holte ein Automobilzulieferer den Automatisierer Schnaithmann Maschinenbau GmbH und KUKA ins Boot. Denn der mittelständische Automatisierer aus dem schwäbischen Remshalden hat sich auf Systemlösungen in den Bereichen Anlagen und Sondermaschinen für die Montageautomation spezialisiert und kann mehrere Roboter so programmieren, dass sie einander souverän und sicher zuarbeiten.

„Besonders spannend fanden wir die modulare Automatisierung, weil sie keine starre Peripherie erfordert und extrem flexibel ist. Ändert sich das Design oder die Bauweise eines Bauteils, wird die entsprechende Zelle ausgetauscht und der ihr zugeordnete Roboter umprogrammiert – schon kann die Montage weitergehen“, erläutert Chris Klöpfer, Technischer Vertrieb SL, Schnaithmann.

Maximale Qualitätssicherung durch End-of-Line Tests

Schnaithmann realisierte bereits zahlreiche Kundenprojekte mit KUKA Robotern. Der Automobilzulieferer arbeitet an verschiedenen Standorten schon lange mit KUKA Lösungen und schätzt den Roboterhersteller als zuverlässigen und innovativen Partner in der Montageautomation. Auch in diesem anspruchsvollen Projekt fiel die Wahl auf KUKA Roboter. Die schlanke Bauweise des KR AGILUS, dessen vielseitige Einsatzmöglichkeiten und ESD+ Speziallackierung – in Kombination mit der kompakten Robotersteuerung KR C5 – waren unter anderem überzeugende Argumente. So fiel Ende 2021 der Startschuss für diese innovative Automation in der Fertigung der Supercomputer.

„Der Kunde wollte eine Lösung, die maximale Flexibilität bietet und die sich schnell und kostengünstig anpassen lässt, wenn Bauteile sich ändern“, erklärt Joachim Roess, der für den Automobilzulieferer zuständige Global Key Account Manager bei KUKA. Es galt, die End-of-Line-Tests des Produkts extrem zuverlässig zu machen. Supercomputer unterliegen aufgrund ihrer Fahrsicherheitsrelevanz den besonders strengen Reglementierungen der Zertifizierung für „Advanced Autonomous Driving Technology“. Unerkannte Mikrorisse in Supercomputern könnten Ausfälle im Advanced Driver Assistance System (ADAS) provozieren. Diese Mikrorisse sind durch eine höchstpräzise und vollautomatisierte Montage unter ESD+ Schutz sowie durch Prüfungen wie zuverlässige EOL-Tests auszuschließen.

Millimetergenaue Perfektion der KR AGILUS im Chaku-Chaku-Workflow.

Roboter im Chaku-Chaku-Flow

Vergleichbare Anlagen nutzen oft Linien mit Förderbändern, doch damit sind die produzierenden Unternehmen auf bestimmte Größen festgelegt. „Wenn sich das Produkt ändert oder auch nur teilweise der End-of-Line-Testablauf, so kann dies bei starren Anlagenkonzepten zu aufwendigen konstruktiven Änderungen führen“, nennt Joachim Roess ein Beispiel. Darum schlugen Schnaithmann und KUKA eine Lösung mit mehreren freistehenden Robotern vor, die nach dem Chaku-Chaku-Prinzip arbeiten.

Beim Chaku-Chaku-Prinzip wird das zu bearbeitende Teil direkt Hand in Hand vom Roboter an der Station abgelegt und von dort, nach Bearbeitung, vom Roboter weiter zur nächsten Station befördert – ohne den Einsatz zusätzlicher Beförderungsmittel wie beispielsweise klassischer Förderbänder. Die Roboter bewegen die Teile also direkt von Station zu Station und bearbeiten sie dort. Das erfordert einerseits weniger Peripherie und bietet gleichzeitig mehr Möglichkeiten für zukünftige Anpassungen der Anlage, da die Roboter einfach an einer anderen Stelle platziert und umprogrammiert werden können.

Ein eingespieltes Team: Die KR AGILUS arbeiten Hand in Hand ohne sich zu berühren.

Das Chaku-Chaku-Prinzip setzt allerdings voraus, dass die Roboter smart miteinander kommunizieren und deren Arbeitsräume gegenseitig entriegeln. Die klassische Handlingapplikation Chaku-Chaku lässt die Roboter, die auf Gestellen und Sockeln frei im Raum stehen, in einer genau vordefinierten Reihenfolge ihre Arbeitsschritte ausführen.

Die nach dem Chaku-Chaku-Prinzip frei agierenden KUKA Roboter kommen ganz ohne menschliche Kollegen aus.

Mit Simulation und umfangreichen EOL-Prüfungen zu höchster Präzision

Die Simulation des Produktionsprozesses vor Inbetriebnahme der Anlage durch die Software KUKA.Sim ermöglichte es, den idealen Produktions-Workflow zu identifizieren. Dieser perfekte und wirtschaftliche Produktionsablauf bezieht sich einerseits auf die Taktzeit, andererseits auf die ideale Auslastung der Roboter. Damit geht, neben der Reduktion von Hardwarekomponenten auf ein Minimum und der damit verbundenen Platzeinsparung, maximale Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Bauteilanforderungen einher.

Platzsparend und automatisiert: Jeder Arbeitsschritt folgt in einer genau definierten Reihenfolge.

Auf diese Weise kann die Anlage schnell und einfach auf erforderliche Anpassungen umgerüstet werden. Und durch umfangreiche Prüfungen innerhalb des Testsystems, insbesondere durch EOL, erreichen Schnaithmann, KUKA und der Automobilzulieferer gemeinsam das Ziel, dass nur Elemente höchster Güte in High Performance Computern zum Einsatz kommen.

Kompakt unterwegs mit dem KR AGILUS, der KR C5 micro und smarter Programmierung

Das Schnaithmann Team entschied sich für sieben KR AGILUS Roboter, die in der vollautomatisierten Anlage, ganz ohne menschliche Mitarbeitende, kooperieren. Fünf der Roboter beladen und entladen die Einlagerungsbuffer mit Komponenten, zwei übernehmen das eigentliche End-of-Line-Testing mithilfe eines Vision-Systems. Der KR AGILUS überzeugt von Haus aus mit seinem schlanken Design, seiner vielseitigen Nutzbarkeit und Präzision sowie der Schutzklasse IP67 und Reinraumklasse ISO 4.

Alle KR AGILUS Roboter sind zertifiziert und entsprechen dem Standard ESD+. Damit erfüllen sie die hohen Anforderungen der Automobilindustrie.

Für das Chaku-Chaku prädestiniert den Sechs-Achs-Roboter außerdem, dass er sich mit der besonders kompakten und energieeffizienten Kleinrobotersteuerung KR C5 micro kombinieren lässt. Diese überzeugt in jeder Einbaulage – in diesem Falle fand sie Platz am Roboter-Aufbaugestell. Ein zusätzlicher Schaltschrank mit starrer, unflexibler Verkabelung wird hier nicht benötigt. Die kompakte Bauweise des KR AGILUS in Kombination mit einer der kompaktesten Robotersteuerungen am Markt trifft exakt die Zielsetzung des Automobilzulieferers: Maximale Flexibilität in den Bauteilen durch schnelle und wirtschaftliche Anlagenerweiterung und -adaption.

Herausforderungen gemeistert mit Speziallack und KUKA Systemsoftware (KSS)

„KUKA Roboter sind standardmäßig nach den aktuellsten Normen ESD-zertifiziert“, erklärt Joachim Roess, „aber wenn es um das autonome Fahren geht, sind die Anforderungen höher als im Elektronikbereich allgemein, sogar als in der Halbleiterfertigung.“ Denn schon durch ein geringes Maß an elektrischer Ladung können Mikrorisse entstehen, welche nicht durch die Endprüfung des Steuergeräts erkannt werden können, jedoch zu einer Verringerung der Lebensdauer des Bauteils führen. Um dem vorzubeugen, fragte der Automobilzulieferer eine Sonderlackierung an, die ableitende Metallpartikel enthält, nicht nur für den Roboter, sondern auch für dessen Fuß und Sockel.

Gewünscht – geliefert: Alle KR AGILUS der Anlage erfüllen jetzt den Standard ESD+. Ein solcher Standard lässt sich in der Produktion mit menschlichen Mitarbeitern kaum erreichen: menschliche Haare und Kleidung neigen zur elektrostatischen Aufladung, sodass Spezialarbeitskleidung für alle erforderlich ist, die in Kontakt mit den sensiblen Elektronikteilen kommen. Außerdem wirkt der Einsatz der Roboter dem allgemeinen Fachkräftemangel entgegen. Denn für monotone, repetitive und gleichzeitig anspruchsvolle Tätigkeiten findet sich kaum Personal.

Der perfekte Chaku-Chaku-Workflow

Eine weitere Herausforderung war, die Roboter so zu programmieren, dass die jeweiligen Arbeitsräume perfekt aufeinander abgestimmt sind. Die sieben KR AGILUS sollten möglichst wenig Platz in der Halle einnehmen, doch die Arme und Greifer duften nicht kollidieren. „In unserem Betriebssystem KSS können solche Bauteilräume standardmäßig implementiert werden“, berichtet Roess, „sodass die Leitsteuerung immer bestimmen kann, wann ein Platz für Roboter A freigegeben ist und wann für Roboter B, um eine Kollision der Roboter sicher verhindern zu können.“

Automatisierungslösungen wie diese sind gut skalierbar. Gebraucht werden sie bei der Produktion von HPC für innovative Elektroautos.

Praktisch zudem: Wird eine Anlage um zusätzliche Roboter erweitert, lassen sich auch diese schnell neu konfigurieren und erledigen die Aufträge Hand in Hand mit den anderen KR AGILUS. Auch die Erweiterung um Maschinen oder andere Komponenten fällt hier leicht.

Fazit und Ausblick: eine zukunftsträchtige Lösung

Wir arbeiten bevorzugt mit KUKA zusammen, weil die Lieferfähigkeit auch in schwierigen Zeiten gut war.

Chris Klöpfer, Technischer Vertrieb SL, Schnaithmann

Das aktuelle Projekt habe das einmal mehr bewiesen. Auch der Kunde, der internationale Automobilzulieferer, sei äußerst zufrieden, mit KUKA jetzt auch einen Hersteller für ESD-fähige Roboter im Elektronikbereich gefunden zu haben. Joachim Roess verrät, dass die Anlage, die seit wenigen Monaten im Betrieb ist, noch erweitert werden soll. „Eine zweite Teststation ist bereits in Planung – das lässt sich schnell und leicht umsetzen, denn diese Art von Lösung ist gut skalierbar“, meint Roess. Der Bedarf an Supercomputern für innovative Elektroautos wird weiter steigen, prognostizieren Experten – Automatisierungslösungen wie diese tragen dazu bei, der hohen Nachfrage gerecht zu werden und wirtschaftlich zu produzieren.

Derweil arbeitet der Automobilzulieferer gemeinsam mit KUKA und Integratoren an weiteren innovativen Lösungen für die Mobilität von morgen. So hat ein Forschungsprojekt gezeigt, dass der mobile Roboter KMR iiwa sich dazu eignet, bei der Highspeed-Bestückung von Platinen zu unterstützen. Als Teil des Splicing-Prozesses sorgt er dafür, dass empfindliche Bauteile zuverlässig, schnell und präzise an die dafür vorgesehenen Stellen im PCB-Board gelangen. Ein weiterer Schritt des internationalen Automobilzulieferers, seine Produktion und damit die Mobilität von morgen noch effizienter und innovativer zu gestalten.