Präzise Motoren montieren

Ventile, Düsen, Kolben, Zündkerzen oder Nockenwellen – das Herzstück eines jeden Autos ist der Motor. Er ist ein kompliziertes Konstrukt mit vielen Ebenen und Einzelteilen und muss entsprechend präzise montiert werden. Minimal beschädigte, verformte oder falsch eingebaute Einzelteile können einen Motorschaden verursachen. Die Folgen wären ein verärgerter Kunde und ein Imageschaden für den Autohersteller.

Während im Karosseriebau die Montage weitestgehend automatisiert ist, wird der Motor noch über weite Strecken von Hand montiert. Bisherige Methoden zur Automatisierung der Motormontage erwiesen sich meist als untauglich oder zu teuer. Vielversprechender sehen die Ansätze der Projektgruppe »Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen« vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart aus. In Zusammenarbeit mit dem Autobauer Audi haben die Ingenieure das Projekt »Zukunftsweisende Methoden und Verfahren zur Präzisionsmontage und Prozessüberwachung für neuartige Verbrennungsmotoren« initiiert.

Das Ziel ist klar definiert: Die Qualität der Motormontage soll kontinuierlich optimiert und damit die Kundenzufriedenheit weiter erhöht werden. Der Einsatz modernster Technologien aus den Bereichen Robotik und Sensorik soll dabei helfen, die Unsicherheitsfaktoren in der Motormontage zu beseitigen. »Eine durchgängige Prozessüberwachung ist nicht möglich, da der Motor nach wie vor in erster Linie von Hand montiert wird. Dabei werden die Motoren immer komplexer. So kann ein erhöhter Nachbearbeitungsaufwand entstehen«, sagt Diplom-Ingenieur Christoph Sieben vom IWU. Das automatisierte Montage-Technologie-System der IWU-Wissenschaftler würde den Fehler bereits während der Motormontage feststellen und eine entsprechende Meldung weiterleiten oder aber den Defekt für bestimmte Montageprozesse gar nicht erst zulassen.

Zunächst haben die Forscher den Ist-Zustand ermittelt: Dazu werteten sie die bestehenden Daten über dokumentierte montagebedingte Motorauffälligkeiten für R- und V-Motoren der vergangenen fünf Jahre aus. Der Fokus der Analyse lag auf den verwendeten Teilen sowie auf den Prozessen. »Wir haben die Abfolge der Motormontage generalisiert und in acht Blöcke unterteilt. Die einzelnen Montagefunktionen wurden ebenfalls standardisiert erfasst«, erklärt Sieben. Fehler beim Zusammenbau lassen sich somit immer einheitlich definierten Montageabfolgen und -funktionen zuordnen. Durch diese Generalisierung der Motormontage lässt sich die Analyse auf alle Motorarten anwenden. »Wir wissen jetzt, bei welchen Montageabfolgen Handlungsbedarf besteht«, sagt Sieben. Als nächstes will die Projektgruppe neue Automatisierungslösungen entwickeln. Kernstück des Versuchsstands ist ein neuartiger Leichtbauroboter: Er wiegt nur 16 Kilogramm, kann aber bis zu sieben Kilogramm heben. Die Besonderheit des »KUKA-Roboter«: Er ist sehr sensibel und flexibel – anders als herkömmliche Industrieroboter, die ihre Aufgaben nur in einem begrenzten Rahmen ausführen können. Die Forscher suchen nun neue Wege in der Kombination innovativer Sensorik und Robotik. »Wir überlegen zum Beispiel wie sich ein Transfer von medizintechnischer Sensorik in die industrielle Verarbeitung gestalten lässt«, so Sieben.

Durch die Einbindung von sehr variantenreichen Sensorsystemen lässt sich eine leistungsfähige Steuerungs- und Regelungstechnik entwickeln: Idealerweise erkennt der Roboter dann nicht nur ein Problem, sondern löst es auch. Ein aktuelles Beispiel sind Kamerasysteme, welche die Orientierung eines Bauteils registrieren. Entspricht es nicht der Norm, ist der Roboter in der Lage, zu entscheiden, ob das Bauteil trotzdem montiert oder ausgetauscht werden muss. »Das auf dieser Basis weiterzuentwickelnde Prozessüberwachungs-System besitzt also die Fähigkeit, während des gesamten Montageprozesses automatisiert auf die Prüfkriterien und die geforderten Toleranzen zu schließen und zu reagieren«, erläutert Sieben. 2014 endet das Projekt. Dann soll der Prototyp für den industriellen Serieneinsatz gerüstet sein.