Ziel der Entwicklung

Logo: Simulation der roboterbasierten Beschichtung eines sanitärkeramischen Objekts mit farbcodierter Schichtdicke und Bewegungsbahn der Sprühpistole
Simulation der roboterbasierten Beschichtung eines sanitärkeramischen Objekts mit farbcodierter Schichtdicke und Bewegungsbahn der Sprühpistole

Ziel dieses FuE-Vorhabens war die Entwicklung und Implementierung eines innovativen Verfahrens für die modellbasierte Vorhersage der Verteilung und Schichtdicke bei automatisierten, roboterbasierten, sprühenden Beschichtungsverfahren. Der Beschichtungsprozess wird durch eine Vielzahl von Prozessparametern beeinflusst, wie z. B. Sprühdruck, Düsenabstand, Auftragsgeschwindigkeit oder Umgebungsbedingungen. Diese Parameter wirken nicht unabhängig voneinander, sondern stehen in komplexen Wechselwirkungen, die den resultierenden Schichtaufbau maßgeblich bestimmen.
Die direkte, hochgenaue Simulation dieser Prozesse ist aufgrund der stark nichtlinearen Abhängigkeiten sowie der hohen kombinatorischen Komplexität mit einem enormen Rechenaufwand verbunden. Für einen industriellen Einsatz, insbesondere in KMU, ist daher ein Verfahren erforderlich, das den Rechenaufwand reduziert, gleichzeitig jedoch eine ausreichende Vorhersagegüte sicherstellt.
Es wurde ein Ansatz entwickelt, der durch gezielte Vereinfachungen und Approximationen den Simulationsprozess beschleunigt, ohne die Aussagekraft der Ergebnisse zu kompromittieren. Ein zentrales Element ist die Berechnung oberer und unterer Schranken für die Simulationsergebnisse. Dadurch lässt sich der unvermeidliche Genauigkeitsverlust explizit quantifizieren.
Die erzielten Ergebnisse wurden in einem Simulationssystem umgesetzt. Dieses umfasst eine benutzerfreundliche grafische Oberfläche, über die Anwender relevante Prozessparameter und Rahmenbedingungen eingeben können. Auf Basis dieser Eingaben werden automatisiert Simulationsläufe gestartet, die den Beschichtungsauftrag realitätsnah approximieren und gleichzeitig Schrankenwerte für die zu erwartenden Abweichungen bereitstellen.

Vorteile und Lösungen

Das zu entwickelnde System soll es ermöglichen, die Lücke zwischen unvermeidbarer Handlackierung und vollautomatisierter Lackierung / Beschichtung in der Serienfertigung zu schließen und KMU zu befähigen, auch kleine Losgrößen automatisiert zu lackieren. Hierfür soll der sprühende Auftragsprozess qualitativ hochwertig simuliert werden. Unter Beschichten wird in der Fertigungstechnik eine Hauptgruppe der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 verstanden, die zum Aufbringen einer festhaftenden Schicht aus formlosem Stoff auf die Oberfläche eines Werkstücks genutzt wird.
Der Einsatz roboterbasierter Beschichtungsanlagen zur automatischen Lackierung kleiner Losgrößen und Kleinserien ist am Markt nur sehr vereinzelt anzutreffen. Es existieren zwar teilweise sehr effiziente Insellösungen, die jedoch aufgrund verschiedener Aspekte, auf die im Folgenden eingegangen wird, für KMU noch nicht niederschwellig nutzbar sind. Der folgende Vergleich der angestrebten Entwicklung mit dem Stand der Technik orientiert sich dabei in weiten Teilen an den Inhalten und Aspekten, die für den Einsatz durch KMU relevant sind.
Der Stand der Technik in Deutschland ist geprägt durch den Einsatz vollständig automatisierter Beschichtungsanlagen in der Serienfertigung und durch einen kleinen Prozentsatz von Speziallösungen, die auch in KMU zum Einsatz kommen. Da die Beschichtungsprozesse in der Serienfertigung allgemein ohne direkte Anpassung der Auftragsbahnen durch entsprechende Sensorik auskommen, wird hier für jedes Werkstück in der Produktion stets dasselbe Roboterprogramm abgefahren.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die entwickelte Lösung adressiert den Markt automatisierter, robotergestützter, sprühender Beschichtungsanwendungen (Lack, Farbe, Glasur etc.). Anwender profitieren insbesondere davon, dass ein Großteil der Beschichtungsexperimente zur Qualitätssicherung nicht mehr physisch durchgeführt werden muss, sondern bereits im Vorfeld in einer Simulationsumgebung erfolgen kann. Dadurch können signifikante Einsparungen bei Material, Maschinenzeit und Energie erzielt werden. Durch die verhältnismäßig einfache Integrierbarkeit in bestehende Offline-Programmiersysteme ist eine niederschwellige Nutzung durch KMU möglich.
Der geplante Transfer der FuE‑Ergebnisse in die Anwenderunternehmen erfolgt über Plugins für Offline-Programmiersysteme.
Als wirtschaftlicher Effekt für die GFaI ist zu erwarten, dass sich insbesondere im Bereich der Materialeinsparung durch Reduzierung des Oversprayings (Beschichtungsmaterial, das nicht auf dem Werkstück landet) eine deutliche Nachfrage nach entsprechend integrierten Lösungen entwickelt.
Geplant ist die Anwendung der erzielten Ergebnisse im Bereich bestehender Lösungen in der Sanitärkeramik sowie bei der Beschichtung von Holzfensterrahmen.