Schrittmacher für die Elektromobilität

Elektromobilität ist für die Automobilindustrie ein relativ junges Geschäftsfeld, dementsprechend gilt es hier, neue Wege zu gehen. Der Automatisierungsspezialist SAR hat daher eine komplette Produktionslinie für die Elektronikbaugruppe entwickelt, die mit Hilfe von elf Robotern von KUKA das Herzstück von Elektroautos fertigt – vollautomatisch.

Automatisierte Fertigung des Elektromobilität-Steuerelements

Die Elektronikbaugruppe ist das Herzstück jedes Elektroautos. Das relativ unscheinbare Gerät ist etwas größer als ein Schuhkarton, rund zwölf Kilogramm schwer, und wandelt als zentrales Steuerelement im Fahrzeug den Gleichstrom der Batterien in Wechselstrom um. Erst dann kann der Motor mit der emissionsfreien Energie arbeiten und sie in Kraft umsetzen. Auch wenn Elektromobilität boomt: Für die Automobilbranche ist die Technologie relativ neu, was die Erfahrung in der Produktion und die Entwicklung von Auto-Modellen angeht.

Passende Konzepte für die intelligente Fertigung von E-Autos und die Integration in den Produktionsprozess sind deshalb gefragt. Den Zulieferern kommt dabei eine große Bedeutung zu. Denn sie stellen in diesem Fall nicht nur vorkonfektionierte und passgenaue Einzelteile zur Verfügung, wie das bislang meist der Fall war, sondern wirken aktiv am Entwicklungsprozess mit. So wie der Automatisierungsspezialist SAR aus dem bayerischen Dingolfing. Das Unternehmen entwickelt und produziert unter anderem Fertigungslösungen für die Automobilindustrie und deren Partner.

Präzise montieren: Ein KR CYBERTECH setzt das elektronische Innenleben in das Gehäuse der Elektroauto-Steuereinheit ein.

Das Fahrzeug-Herz entsteht mit Hilfe von KUKA Robotern

So etwa auch eine Produktionslinie für die Elektronikbaugruppe von Elektroautos im Auftrag eines Tier-1-Lieferanten. Und das ist – wie bei Herzoperationen üblich – keine einfache Aufgabe. „Unser Ziel ist es, mit dem Werkzeug Roboter intelligente Lösungen zu finden, die der konventionelle Ansatz nicht leisten kann“, erklärt Georg Dullinger, Geschäftsleiter Vertrieb bei SAR. Das bedeutet in diesem Fall, eine automatisierte Fertigung aufzubauen, die nicht nur Montage-Teile für Elektroautos zusammensetzt, sondern von der Kennzeichnung der Einzelteile, über die Schraub- und Klebeaufgaben, bis hin zu Tests und Prüfungen der Zwischenschritte und letztendlich des fertigen Produkts sämtliche Prozessschritte steuert und überwacht.

Fast fertig: Nach der automatischen Montage des Deckels ist die Steuereinheit für das elektrische Auto komplett.

Automatisierung: Maximale Flexibilität als Grundvoraussetzung

„Mit einer Aneinanderreihung von Roboterzellen ist es nicht getan“, erklärt Dullinger. „Für diese Prozesse gibt es keine Blaupause, keine Best Practices.“ Stattdessen entwickelte SAR Lösungen für sämtliche Einzelschritte der Automatisierung – und die intelligente Verbindung zu einem Gesamtkonzept – lange bevor die Auto-Modelle der Hersteller serienreif waren. „Die Herausforderung ist die hohe Flexibilität: Während der gesamten Entwicklungsphase gab es immer wieder Änderungen am finalen Modell. Gesetzt war lediglich das Verbaumaß der Fahrzeuge. Das Innenleben wurde aber stark modelliert.“

Die automatisierte Fertigung und Montage mit verschiedenen Roboterzellen beim Probelauf im Werk von SAR in Dingolfing.

Auch in den produktiven Linien gibt es nach wie vor Änderungen an den Auto-Bauteilen, auf die schnell reagiert werden muss. Kurz gesagt: Entwicklung und Fertigung sind extrem agil. Das ist vermutlich auch der Grund, warum durchaus mal der Technologie-Vorstand eines Auto-Konzerns vor der Tür steht, um sich selbst einen Eindruck vom Stand der Automatisierung zu verschaffen. „Das ist für Unternehmen unserer Größe durchaus unüblich“, sagt Franz Steinbauer, Projektleiter bei SAR, und schmunzelt.

Fahrzeug-Montage automatisieren: Ein KR QUANTEC Roboter prüft Funktionalität und Dichtigkeit der montierten Steuereinheiten für das Elektroauto.

Industrieroboter sorgen für präzise Montage von Elektroautos

Vom Ergebnis der langen Entwicklungsarbeit ist aber letztlich nicht nur der Vorstand überzeugt: In der aktuellen Konfiguration der Produktionslinie sind 28 Roboter im Einsatz, 11 davon stammen von KUKA. Sie übernehmen alle relevanten Aufgaben der Automatisierung, um 47 einzelne Fahrzeug-Bauteile zu verschrauben, zu verkleben, zu prüfen und letztlich mit dem Auto zu verheiraten. Automatisierung auf Höchstniveau.

Mit Hilfe der Roboter von KUKA können wir jeden beliebigen Ausbaugrad darstellen, bis hin zur kompletten Produktion.

Georg Dullinger, Geschäftsleiter Vertrieb bei SAR

Die einzelnen Schritte der Montage klingen dabei zunächst unspektakulär: In das Gehäuse der Steuereinheit für die E-Autos setzen die Industrieroboter verschiedene Elektronik Bauteile ein. Sie reinigen und kontrollieren, sortieren aus oder bearbeiten nach. Soweit das Grundkonzept. Allerdings ist das Herzstück ebenso empfindlich wie überlebensnotwendig für das fertige Elektroauto-Modell – und dementsprechend umsichtig und präzise müssen die Einzelschritte der Montage erfolgen.

Robotik: Schrauben unter Sauberraumbedingungen für die E-Mobilität

Das bedeutet beispielsweise, dass Klebestellen im Fertigungsprozess zunächst gereinigt werden. Dazu fährt ein KR AGILUS von KUKA die Stellen mit einer Plasmalanze nach und befreit sie mit 30.000 Grad heißem ionisierten Gas von Schmutzpartikeln und anderen Kontaminationen. Anschließend trägt der Roboter Dichtmasse auf. Ein KR CYBERTECH setzt verschiedene Bauteile ins Gehäuse ein. „Schon kleinste elektrische Ströme können die empfindlichen Bauteile zerstören“, sagt Franz Steinbauer, „daher ist die elektromagnetische Verträglichkeit hier besonders wichtig.“

Ein KR AGILUS befreit die Klebestellen mit einer Plasmalanze von Schmutzpartikeln.

Anschließend verschraubt ein Roboter die Komponenten. „Insgesamt nutzen wir 158 Schrauben in acht verschiedenen Varianten“, erklärt der Projektleiter. „Über einen Schlauch führt die Anlage alle vier Sekunden eine Schraube zu.“ Was banal klingt, ist in der Praxis komplizierter: Weil die Schrauben als Schüttgut angeliefert werden und diese Art der Verpackung automatisch Abrieb zwischen den einzelnen Metallteilen erzeugt, trennt eine Weiche mit Hilfe von Druckluft Schrauben und Staub. Die Montage erfolgt praktisch unter Sauberraumbedingungen.

Montage mit Robotern automatisieren: Ein KUKA Roboter trägt Dichtmasse auf die Gehäusehälften auf.

Erst montieren, dann prüfen: Ein KR QUANTEC Roboter von KUKA prüft die Steuereinheiten für das Elektroauto.

Wasser und Strom vertragen sich nicht in der Fertigung – oder doch?

„Über die gesamten Montage-Prozesse hinweg erfassen wir einen sogenannten Datenbaum für jedes Bauteil. Das heißt, von der kleinsten Schraube bis zum Gehäusedeckel des Elektrofahrzeugs können wir genau nachvollziehen, woher sie stammen und wie sie verarbeitet wurden. Daraus lassen sich später mögliche Rückschlüsse ableiten, sollte es beim Fahrer des E-Autos zu einem Ausfall kommen“, erklärt Vertriebsleiter Georg Dullinger.

Zwischendurch erfolgen immer wieder Dichtigkeitsprüfungen und Funktionstests für das Fahrzeug, um die hohe Qualität der Verarbeitung zu gewährleisten. Besonders spannend ist der letzte Schritt: Ein KR CYBERTECH Roboter nimmt die fertigen Steuereinheiten für die E-Autos vom Band und befüllt sie mit Wasser. „Eigentlich sollten sich Wasser, Strom und Datentechnik nie begegnen“, sagt SAR-Projektleiter Franz Steinbauer. „Aber in diesem Fall bringen wir innerhalb von etwa 100 Sekunden alles zusammen, das Wasser dient zur Kühlung bei den folgenden Schritten.

Welcher Automatisierungsgrad soll es sein?

Der Roboter von KUKA legt die Steuereinheiten in die Hoch- und Niedervolt-Isolationsprüfung – schließlich fließt hier am Ende Wechselstrom durch die „Adern“ des E-Autos. Anschließend bekommen die Elektroherzen ihr Betriebssystem aufgespielt, sozusagen den Odem des Lebens eingehaucht. Sind alle Tests positiv und das Wasser wieder abgelassen, sind die Steuereinheiten bereit für ihr Leben als Fahrzeug-Schrittmacher.

Klein, aber oho! Die Steuereinheiten eines E-Autos, gefertigt mit Hilfe von KUKA Robotern.

Aktuell bestücken Werker die Produktionslinie und entnehmen am Ende die fertigen Steuerungseinheiten für die E-Autos. Langfristig lässt sich aber auch dieser Prozessschritt automatisieren. „Mit Hilfe von fahrerlosen Transportsystemen könnten wir schon jetzt die verschiedenen Elektronik Bauteile aus einem sogenannten Supermarkt abholen und zu den Stationen bringen lassen“, sagt Georg Dullinger. „Die Lösung ist hoch skalierbar und individuell anpassbar.“

So wäre es beispielsweise möglich, die Produktionslinie in verschiedenen Stufen aufzubauen, Teile davon können sogar bei Zulieferern zum Einsatz kommen. „Mit Hilfe der Roboter von KUKA können wir jeden beliebigen Ausbaugrad darstellen, bis hin zur kompletten Produktion“, sagt Dullinger. „Welchen Automatisierungsgrad wir realisieren, hängt ganz von unseren Kunden ab.“