Wie Automobilhersteller Produktion mit kollaborativen Robotern und 3D-Druck verbessern

Die Autoindustrie setzt zunehmend anspruchsvolle Roboter ein, blickt auf 3D-Druck und integriert andere fortschrittliche Technologien.

Die US-Autoindustrie ist seit Jahrzehnten automatisiert. Die Produktion von Autos und Lastwagen ist mit großen, hünenhaften Robotern assoziiert, die von menschlichen Mitarbeitern abgezäunt sind. Innerhalb dieser abgezäunten Bereiche werden Aufgaben wie Schweißen durchgeführt.

Die Industrie entwickelt sich jedoch auf dem Automatisierungsfront weiter. Automobilhersteller und Zulieferer bewegen sich in Richtung Einsatz kollaborativer Roboter, bekannt als Cobots. Solche Geräte sind oft kleiner, haben mehr Geschicklichkeit und können sicher neben menschlichen Bedienern eingesetzt werden.

Was mehr ist, die Industrie will auch den Einsatz von 3D-Druckern ausweiten. Automobilhersteller wie Ford Motor Co. und BMW AG arbeiten direkt mit additiven Herstellern bezüglich der Technologieeinführung. Unternehmen nutzen auch Virtual und Augmented Reality, um Fertigungsfragen anzugehen. Und wie bei vielen anderen Herstellern will die Autoindustrie das Beste aus Industry 4.0 herausholen, wo "vernetzte" Maschinen miteinander und mit menschlichen Bedienern kommunizieren.

"Es gibt viele Wege, wie die neue Automatisierung sich von dem unterscheidet, wie Automatisierung in den 1980ern aussah", sagte Kristin Dziczek, Vizepräsidentin für Industrie, Arbeit und Ökonomie am Ann Arbor, Mich.-basierten Center for Automotive Research (CAR).

"Heutzutage repliziert Automatisierung nicht nur menschliche körperliche Anstrengung, sondern verbindet sie auch mit anderen Cyber- und physischen Systemen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Fabrik", sagte Dziczek. "Das bedeutet, Hersteller erhalten mehr Daten von der Automatisierung und mehr Kontrolle über das gesamte Fertigungssystem – nicht nur Kontrolle über einzelne automatisierte Stationen."

Ein Symbol für Automobilautomatisierungstrends ist Fords neues Advanced Manufacturing Center im Detroit-Vorort Redford, Mich. Drinnen werden 3D-Drucker und Cobots auf Wege untersucht, wie sie auf dem Fabrikboden eingesetzt werden können. Die Virtual- und Augmented-Reality-Einrichtungen des Centers sind ein Weg für Ford-Fabriken weltweit, mit Themen wie der Positionierung von Produktionsausrüstung auf dem Werksboden umzugehen.

Ford bildete 2017 eine fortschrittliche Fertigungsorganisation, die Mitarbeiter aus dem gesamten Fertigungsbetrieb des Automobilherstellers zusammenbrachte. Die Gruppe identifizierte ihren Standort letztes Jahr, nachdem ein Industrieunternehmen an einen anderen Standort im Detroit-Gebiet zog.

"Ford Motor Co. hat eine sehr ausgereifte Beziehung zur Automatisierung", sagte Mike Mikula, Chefingenieur der globalen fortschrittlichen Fertigungsorganisation für Ford. Das Unternehmen wollte seine Fertigungstechnologie beschleunigen, sagte er.

Was folgt, sind einige der Wege, wie Automatisierung und neue Technologien in der Autoindustrie sich entwickeln.

3D-Druck legt zu

3D-Druck, oder additive Fertigung, beinhaltet das Schicht-für-Schicht-Drucken eines Teils aus einem digitalen Design. Die Technologie verschiebt sich hin zu größeren Teilen und mehr Druck mit verschiedenen Metalltypen. Die Luft- und Raumfahrt investiert seit Jahren in Additive, weil 3D-Druck neue Designs ermöglicht und das Versprechen effizienterer Nutzung von Metallen wie Titan birgt.

Die Autoindustrie hat jedoch größere Produktionsvolumina. Bis jetzt hat die Einführung von 3D-Druck durch Automobilhersteller und Zulieferer ihren Pendants in der Luft- und Raumfahrt nachgehangen.

"Aktuelle Anwendungen von 3D-Druck sind begrenzt auf Werkzeuge, Formen, Matrizen, Lehren, Vorrichtungen und einige Low-Volume-Teile", sagte CARs Dziczek. "Die echten Hürden für breitere Einführung von 3D-Druck in massenproduzierten Autos und Teilen sind Zykluszeit, Kosten und versunkene Kosten der aktuellen Stanz-, Form- und Bearbeitungsbasierten Teileformungsprozesse. 3D-Druck muss schneller werden und die Kosten müssen erheblich sinken, bevor wir breite, hochvolumige Anwendungen in der Autoindustrie sehen werden."

Dennoch läuft die Entwicklung additiver Fertigung in der Autoindustrie.

"Fortschritte innerhalb der 3D-Drucktechnologie an sich schaffen eine Reihe von Lösungen, die historisch nicht verfügbar waren", sagte Fords Mikula. Die Verbesserungen umfassen "die Geschwindigkeit, mit der wir drucken können und die Materialien, mit denen wir drucken können. Die Einführung von kohlefaserverstärkten Polymeren (CFRP), fortschrittlichen Kunststoffen und sicherlich Metall hat die potenziellen Anwendungen dramatisch verändert vom Standpunkt des 'Art of Possible'."

"Wenn man das kombiniert mit" erhöhter Rechenkapazität, fuhr er fort, "lässt man die Software helfen, das Teil zu designen. Es erfordert nicht das gleiche Level an Ingenieursaufwand und Lead Time, um eine Hauptlösung zu liefern, die all Ihre Anforderungen erfüllt. Also sowohl in Bezug auf was wir drucken können als auch wie schnell wir sie drucken können... macht 3D-Druck zu einer sehr faszinierenden Technologie. Sicherlich ist unser Ziel hier, sie vom Standpunkt der Bereitstellung unserer Fertigungsprozesse mit dem Werkzeug und den Montagehilfen zu nutzen, die sie brauchen, um robuster zu sein, sowie potenziell einige der Technologieherausforderungen im Zusammenhang mit 3D-Druck zu überwinden."

Zuvor hat Ford mit Stratasys Ltd. an Prototyp-3D-Druckern für große Teile kollaboriert. Der in Dearborn, Mich. ansässige Automobilhersteller ist auch Investor, zusammen mit BMW, in Desktop Metal, ein additives Fertigungsunternehmen mit Sitz in Burlington, Mass. Ken Washington, Fords Chief Technology Officer, sitzt im Board of Directors von Desktop Metal.

Ford und BMW "wissen, dass das kommt", sagte Jonah Myerberg, Desktop Metals Chief Technology Officer und Mitgründer. "Sie sind in Eile. Es sind noch ein paar Jahre, bis man es im gesamten Fahrzeug sieht."

Myerberg sagte, 3D-Druck wird wahrscheinlich über Formen und Lehren hinaus expandieren, aber es gibt viel Unsicherheit.

"Man kann nicht nur einen Bereich des Fahrzeugs anschauen", sagte er. "Man muss das gesamte Fahrzeug anschauen. Was wir versuchen, ist, ihre Augen für das zu öffnen, was wir als die Schlüsselvorteile von 3D-Druck sehen." Der Desktop Metal Executive sagte, Automobilhersteller könnten die Technologie an ihre Top-Tier-Zulieferer weitergeben.

"Es passiert viel hinter den Kulissen, worüber diese Ingenieure nicht reden", sagte Myerberg. "Wir haben nur ein kleines Bild davon, wie unsere Kunden diese Drucker nutzen werden."

Im September stellte HP Inc. eine neue 3D-Drucktechnologie vor, die es HP Metal Jet nennt, bestimmt für die Massenproduktion von Stahlteilen. Volkswagen AG beabsichtigt, HP Metal Jet Technologie zur Produktion von Elektrofahrzeugen in den 2020ern einzusetzen, laut HP. Elektrofahrzeuge haben weniger bewegliche Teile als konventionelle Verbrennungsmotoren. Als Ergebnis könnten EVs eine Gelegenheit sein, additive Fertigung in der Autoindustrie auszuweiten.

Kollaborative Roboter

Roboter waren eines der frühesten Beispiele für Automatisierung auf dem Fabrikboden der Autoindustrie.

Die frühen Phasen der Roboteradoption bestanden darin, gefährliche, repetitive Jobs zu machen, sagte Lou Finazzo, General Manager, Automotive and Component Markets für FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich. Viele Roboter wurden verwendet, um Auto- und Lastwagenkarosserien zu schweißen.

"Menschen waren restriktiv in dem, worauf sich die Automobilindustrie auf der Karosserieseite wirklich entwickeln konnte", sagte er. Es war herausfordernd für menschliche Bediener, "diese riesigen, großen Schweißpistolen" zu manipulieren und blind über das Fahrzeug zu greifen und zahlreiche Schweißpunkte anzuwenden, "von denen man nicht wusste, ob sie gut oder schlecht waren."

"Einmal, als Robotertechnik abhob, konnten sie Fahrzeuge etwas anders designen, [mit] komplexerer Montage", fuhr er fort. "Auch, einen besseren Kontrollkreis für die Qualität zu haben, der es ihnen erlaubte, die Menge an Schweißen und Strukturkomponenten tatsächlich zu reduzieren, ließ die Montage von Fahrzeugen zu dem werden, wo wir heute sind. Das waren die initialen Phasen."

Heute subventionieren Roboter und Automatisierung Arbeit, und es gibt Arbeitskräftemangel für Hersteller und Zulieferer, laut Finazzo.

"So kann man jetzt eine Person nehmen und diese Person kann für vier, fünf kollaborative [Roboter] verantwortlich sein und man hat ihre Effizienz tatsächlich erhöht... Wenn wir mit traditionellen Autobauern sprechen, ist die erforderliche Flexibilität viel mehr als es früher war", sagte er.

Kollaborative Roboter werden in der Autoindustrie wahrgenommen. "Zwei Schlüsselfaktoren, die das Interesse der Automobilindustrie an kollaborativen Robotern antreiben, sind Geschwindigkeit und Kosten", sagte Darrell Paul, Marketing Manager für Robotik und Motion Control bei Omron Automation Americas, Hoffman Estates, Illinois. "Kollaborative Roboter können schneller und in bestehende Fertigungsumgebungen implementiert werden. Diese Roboter haben auch die Fähigkeit, mit bestehenden Fertigungszellen und Bedienern zu arbeiten, was die Notwendigkeit zusätzlicher struktureller oder Infrastrukturenkosten eliminiert."

Das Unternehmen stellte seine neue TM-Serie Cobot auf der diesjährigen CES in Las Vegas vor. Laut Omron ermöglicht das Robotervisionsystem schnelle Startups und Changeovers. Omron behauptet auch, die Software des Roboters ermögliche es, ihn für verschiedene Aufgaben zu trainieren.

In Fords Advanced Manufacturing Center gibt es Roboter von FANUC, ABB, Universal Robots und KUKA Robotics.

"Viele der Arbeiten, die in unseren Fabriken gemacht werden, erfordern keinen Industrieroboter, der das Level an Reichweite und Traglast hat, das Industrieroboter grundsätzlich adressieren", sagte Fords Mikula. "Kollaborative Roboter bieten einen kleinen Fertigungs-Fußabdruck und können sicher in und unter unseren Technikern und Einrichtungen integriert werden, ohne eine signifikante Infrastruktur zum Schutz aufbauen zu müssen."

"Mit einem kollaborativen Roboter kann man eine viel einfachere Lösung haben; [man kann] die Arbeit zum Roboter bringen, damit der Roboter die Arbeit sicher und zuverlässig ausführen kann", fuhr Mikula fort.

"Unsere Fertigungsanlagen sind sehr teuer zu modifizieren", sagte er. "Der Inhalt in unseren Fahrzeugen nimmt weiter zu. Der Aufwand [erforderlich] zum Zusammenbau von Motoren, Getrieben, Batteriepacks und Fahrzeugen nimmt über die Zeit zu. Also wo wir diesen zusätzlichen Inhalt unterbringen und Automatisierung einführen können, um ihn zu machen... um sicherzustellen, dass wir unseren Verbrauchern das qualitativ hochwertigste Produkt zu einem erschwinglichen Preis liefern, da passen kollaborative Roboter wirklich in die Gleichung."

Vom Standpunkt der Roboteranbieter gibt es viel Druck zu performen.

"Bei Automotive ist Speed-to-Market sehr wichtig", sagte Finazzo. "Vor zehn Jahren wäre es ein riesiger Erfolg gewesen, einen neuen Lkw in 18 Monaten zu launchen. Jetzt sind sie wie: 'Wow, wir müssen es in 12 Monaten machen.' Also ist Speed-to-Market ein großes Thema."

Automobilzulieferer passen sich an

Einige Automobilzulieferer haben sich an den erhöhten Einsatz von Cobots und das schnellere Tempo angepasst.

Inficon, ansässig in Bad Ragaz, Schweiz, fertigt Automobilinspektionsgeräte für Autosysteme. Das Unternehmen hat seine Geräte mit kleineren, kollaborativen Robotern eingesetzt. Inficon-Geräte werden verwendet, um Lecks von Feuchtigkeit oder Gasen zu detektieren. Mit kollaborativen Robotern hat Inficon mehr Möglichkeiten, seine Geräte an Roboter anzubringen. Infincon-Produkte werden jetzt verwendet, um Feuchtigkeit in Elektrofahrzeugsystemen zu detektieren.

"Das ist etwas, woran wir seit fünf bis sieben Jahren arbeiten", sagte Thomas Parker, Inficons nordamerikanischer Automobilverkaufsmanager.

Kollaborative Roboter machen es einfacher, Inficon-Geräte einzusetzen. "Wir machen viel Aufklärung bei Kunden darüber, was mit einem kollaborativen Roboter möglich ist, was mit einem Sechs-Achs-Roboter möglich ist. Da ist viel Aufklärung auf meiner Teamebene."

Hydromat Inc., ein Werkzeugmaschinenhersteller, dessen Kunden Automobilkunden umfassen, hat sich an Branchentrends angepasst.

Bei Hydromat "ist Automatisierung interaktiver geworden", sagte Kevin Shults, Marketingdirektor für das in Maryland Heights, Mo. ansässige Unternehmen. "Für Arbeiter sind die Systeme interaktiver zwischen Bedienern und den Werkzeugmaschinen, die sie fahren. Programmierung an der Maschine ist üblicher geworden."

Veränderungen in der Autoindustrie bedeuten "häufigere Wechsel", sagte Shults. "Wechsel müssen schneller sein."

Shults fügte hinzu: "Automatisierung ist essenziell in der Quest, unseren Automobilkunden die Multi-Part-Familien zu bieten, die ihnen Vielfalt und Produktgewinne geben."

Arbeiter passen sich an

Bemühungen laufen, Arbeiterfähigkeiten zu verbessern, da die Autoindustrie anspruchsvoller wird.

AIDT, Alabamas Workforce-Trainingsprogramm, versucht, seine Arbeitertrainingsbemühungen zu intensivieren, da Autoindustrie-Beschäftigung anspruchsvoller wird. Mitarbeiter in Fabriken kommen zu AIDT-Einrichtungen in Tanner, Ala., in der Nähe von Huntsville für Trainingssitzungen.

Alabama beherbergt mehrere Fahrzeugmontagewerke. Der Staat hat auch Luft- und Raumfahrtfabriken. Daher versucht Alabama, sein Fertigungstraining zu verbessern. Im Januar besuchte eine Alabama-Delegation das Detroit-Hauptquartier von Lightweight Innovations For Tomorrow (LIFT), dem Manufacturing USA Institute, das Unternehmen und Akademiker zusammenbringt, um Leichtbautechnologie für die Fertigung zu verbessern.

"Alabama [entwickelt sich] in der Fertigung", sagte Kristi Bain, AIDTs Assistenzdirektorin.

"Wir müssen in einem fortschrittlichen Fertigungsszenario arbeiten", sagte Ed Castle, Alabama stellvertretender Handelssekretär in der Arbeitskräfteentwicklungs-Kommission dieser Agentur. "Für uns ist es eine einfache Gleichung. Was ist der Bedarf und wie definieren Sie diesen Bedarf?"

Fords Mikula sagte, diese Trends reflektieren, wie Automobilfertigung attraktiver ist als früher.

"Es ist ein wirklich aufregender Ort, um zu sein", sagte er. "Es ist ein wirklich spaßiger Ort, um zu sein."