Automatisiertes Lackieren mit steuerbaren Spritzpistolen PDF
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B[} J [TI B[T I [TI = Forschung und Praxis Band 140 Berichte aus dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (I PA) , Stuttgart, Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Stuttgart, und Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart Herausgeber: H J. Warnecke und H-J. Bullinger Konrad A. Ortlieb Automatisiertes Lackieren mit steuerbaren Spritzpistolen Mit 45 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Vork London Paris Tokyo Hong Kong 1989 Oipl.-Ing. Konrad A. Ortlieb Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Prof. Or.-Ing. Or. h. c. Or.-Ing. E. h. H. J. Warnecke o. Professor an der Universität Stuttgart Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Or.-Ing. habil. H.-J. Bullinger o. Professor an der Universität Stuttgart Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart 093 ISBN-13: 978-3-540-51518-0 e-ISBN-13: 978-3-642-83884-2 001: 10.1007/978-3-642-83884-2 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung. der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung. vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber rechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der Fassung vom 24. Juni 1985 zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unter liegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verfag, Berlin, Heidelberg 1989. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschlltz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürf1en. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN. VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, ge gebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim 2362/3020-543210 Geleitwort der Herausgeber Futuristische Bilder werden heute entworfen: o Roboter bauen Roboter, o Breitbandinformationssysteme transferieren riesige Datenmengen in Sekunden um die ganze Welt. Von der "manschenleeren Fabrik" wird da gesprochen und vom "papierlo sen Büro". Wörtlich genornnen muß man beides als Utopie bezeichnen, aber der Entwicklungstrend geht sicher zur "automatischen Fertigung" und zum "rechnerunterstützten Büro". Forschung bedarf der Perspektive, Forschung benötigt aber auch die Rückkopplung zur Praxis - insbeson dere im Bereich der Produktionstechnik und der Arbeitswissenschaft. Für eine Industriegesellschaft hat die Produktionstechnik eine Schlüs selstellung. Mechanisierung und Autanatisierung haben es uns in den letzten Jahren erlaubt, die Produktivität unserer Wirtschaft ständig zu verbessem. In der Vergangenheit stand dabei die Leistungssteigerung einzelner Maschinen und Verfahren im Vordergrund. Heute wissen wir, daß wir das Zusammenspiel der verschiedenen Untemehmensbereiche stärker beachten müssen. In der Fertigung selbst konzipieren wir flexible Fer tigungssysterre, die viele verkettete Einzelrnaschinen beinhalten. Dort, wo es Produkt und Produktionsprograrom zulassen, denken wir intensiv über die Verknüpfung von Konstruktion, Arbeitsvorbereitung , Fertigung und Qualitätskantrolle nach. Rechnerunterstützte Informationssysterre helfen dabei und sollen zum CIM (Conputer Integrated Manufacturing) führen und CAD (Corrputer Aided Design) und Cl\M (COmputer Aided Manu facturing) vereinen. Auch die Büroarbeit wird neu durchdacht und mit Hilfe vemetzter eomputersysterre teilweise automatisiert und mit den anderen Untemehmansfunktionen verbunden. Infonation ist zu einem Produktionsfaktor geworden, und die Art und Weise, wie man damit umgeht, wird mit über den Untemehrrenserfolg entscheiden. Der Erfolg in unseren Untemehman hängt auch in der Zukunft entschei dend von den dort arbeitenden Menschen ab. Rationalisierung und Auto matisierung müssen deshalb im Zusammenhang mit Fragen der Arbeitsgestal tung betrieben werden, unter BerückSichtigung der Bedürfnisse der Mit arbeiter und unter Beachtung der erforderlichen Qualifikationen. Inve stitionen in Maschinen und Anlagen müssen deshalb in der Produktion wie im Büro durch Investitionen in die Qualifikation der Mitarbeiter be gleitet werden. Bereits im Planungsstadium müssen Technik, Organisation und Soziales integrativ betrachtet und mit gleichrangigen Gestaltungs zielen belegt werden. Von wissenschaftlicher Seite muß dieses Bemühen durch die Entwicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Ver besserung des Systems Produktionsbetrieb einschließlich der erforder lichen Dienstleistungsfunktionen unterstützt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusammenarbeit mit anderen Disziplinen, z. B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswis senschaft, Lösungen zu erarbeiten, die den veränderten Fandbedingungen Rechnung tragen. Beispielhaft sei hier an den großen Bereich der Informationsverarbei tung im Betrieb erinnert, der von der Angebotserstellung über Konstruk tion und Arbeitsvorbereitung, bis hin zur Fertigungssteuerung und Quali tätskontrolle reicht. Beim Materialfluß geht es um die richtige Aus- wahl und den Einsatz von Fördermitteln sCM'ie Anordnung und Ausstattung von Lagern. Große Aufnerksarnkeit wird in nächster Zukunft auch der weiteren Automatisierung der Handhabung von Werkstücken und Werkzeu gen sowie der M:Jntage von Produkten geschenkt werden. Von der Forschung muß in diesem Zusamrrenhang ein Beitrag zum Einsatz fortschrittlicher intelligenter Co:aputersystene erfolgen. Planungs prozesse müssen durch Softwaresystene unterstützt und Arbeitsbedingun gen wissenschaftlich analysiert und neu gestaltet werden. Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das - Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart (IFF) , - Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) , - Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und organisation (IAQ) arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen geführt, die für die Praxis von großem Wert waren. Zur umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriften reihe "IPA-IAQ - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht über bisher erschienene Titel wird am Schluß dieses Buches gegeben. Dem Verfasser sei für die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer Verlag für die Aufnahne dieser Schriftenreihe in seine Angebotspa lette und der Druckerei für saubere und zügige Ausführung. Möge das Buch von der Fachwelt gut aufgenc:mren werden. H. J. Warnecke • H. -J. Bullinger Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart. Herrn Professor Dr.-Ing. H.J. Warnecke, dem Leiter des IPA sowie des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbe trieb der Universität Stuttgart, danke ich besonders für seine wohlwollende Unterstützung und Förderung, die zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen haben. Herrn Professor Dr.rer.nat. L. Dulog, dem Direktor des 11. In stituts für Technische Chemie der Universität Stuttgart sowie dem Leiter des Forschungsinstituts für Pigmente und Lacke (FPL) in Stuttgart, danke ich für seine Bereitschaft zur Durchsicht des Manuskripts und für die Übernahme des Mitberichts. Darüberhinaus möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des IPA bedanken, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. P. Svejda, der durch sei ne Mithilfe beim Programmieren sowie seiner kritischen Diskus sionsbereitschaft wertvolle Unterstützung gab. Mein weiterer Dank gilt Herrn Dr. K. Mertz und Herrn M. Obst für ihre offene und konstruktive Kritik. Stuttgart, 1989 Konrad A. Ort lieb Seite INHALTSVERZEICHNIS 9 Verwendete Größen, Formelzeichen und Einheiten 12 1 Einführung - 16 Bedeutung des Lackierens als Fertigungsschritt 2 Stand der Technik und Wissenschaft 18 2.1 Entwicklung der Automatisierung in der Lackier 18 technik 2.2 Heutiger Stand der Automatisierung in der Lackier 21 technik 3 Automatisierungskonzepte für die Lackiertechnik 25 3.1 Bewegungstechnische Anforderungen an den Lackier 25 automaten bezogen auf die Werkstückgeometrie des zu lackierenden Werkstücks 3.2 Automatisierung des Spritzlackiervorgangs durch 25 spritzpistolenseitigeSteuerungstechnik 4 Untersuchungen über das Verhalten der Einstell 28 größen bei Spritzpistolen 4.1 Versuchsaufbau und Parameterfestlegung 28 4.2 Einfluß der Spritzpistolenbauart 36 4.3 Einfluß der spritzpistolenseitigen und spritz 38 technischen Parameter (Spritzpistolenparameter) 4.3.1 Abstand Düse - Werkstück 38 4.3.2 Materialdurchflußmenge 39 4.3.3 ZerstäubungSluftdruck 40 4.3.4 Lenkluftdruck als Verstellgröße der Spritzstrahl 42 form 4.3.5 Elektrostatische Aufladung 43 4.3.6 Abhängigkeiten bei mehreren Spritzpistolenparame 44 tern 4.3.7 Beurteilung der Spritzpistolenparameter 45 4.4 Einfluß verschiedener Lackmaterialien 49 4.5 Einflüsse der Peripherie 52 - 10 - 4.6 BeschichtungsergebnisseausgewählterWerkstück 53 geometrien 4.6.1 Lackierungen ohne Ausgleichsmaßnahmen 53 4.6.2 Lackierungen mit spritzpistolenseitigen Aus 54 gleichs maßnahmen (lineare Spritzpistolenbahn) 4.6.3 Lackierungen mit spritzpistolenseitigen und kine 56 matischen Ausgleichsmaßnahmen der Spritzpistolen bahn 4.6.4 Auswertung der Beschichtungsergebnisse 60 5 Konstruktive Entwicklungen zur Realisierung der 61 Spritzpistolensteuerung 5.1 Stand der Technik 61 5.2 Lackspritzeinrichtung 63 6 Steuerungsbezogene Integration der Spritzpistolen 68 einstellgrößen für verschiedene Automatisierungs einrichtungen 6.1 Steuerungen automatischer Lackiereinrichtungen 68 6.2 Programmierung von Beschichtungsrobotern 70 7 Rechnerunterstützte Generierung der Bewegungsbahn 73 anhand der untersuchten SpritzpistolenverhaI tens weisen 7.1 Betrachtung des Lösungswegs 73 7.2 Beschreibung des Simulationsprogramms 75 7.2.1 Erfassung und Darstellung von Werkstückgeometrien 77 7.2.2 Auswertung der Beschichtungsversuche 82 7.2.2.1 Approximation gegebener Abhängigkeiten 82 7.2.2.2 Aufstellung einer Funktion zur Beschreibung des 87 Lackverhaltens 7.2.2.3 Überprüfung des mathematischen Modells 89 7.3 Berechnung der Schichtdickenverteilung 93 7.4 Berechnung der Bewegungsbahn 100 8 Die weitere Entwicklung zur rechnerunterstützten 103 automatisierten Lackierung - 11 - 9 Gestaltung der Peripherie bei automatisiertem 106 Lackieren 10 EntscheidungSkriterien für den Einsatz von Auto 111 matisierungseinrichtungen in der Lackiertechnik 11 Zusammenfassung 114 12 Literaturverzeichnis 116 Verwendete Größen, Formelzeichen und Einheiten Zeichen Einheit Beschreibung Länge. Fläche. Volumen sow cm Abstand Düse-Werkstück SH m Hubweg (einer Bewegungseinrichtung) Sw m Förderweg leines Werkstücks) SB cm Beschichtungsbahnbreite SB1' SB2 cm halbe Überlappung von Beschichtungsbahnen dL 11m Lackschichtdicke (Trockenfilm) dL+, dL- 11m maximale, minimale Lackschichtdicke dm IJ.ID mittlerer Tropfendurchmesser ~ mm Kolbendurchmesser a mm Stufenhöhe b mm Sickenbreite d mm Sickentiefe c, s mm geradlinige Blechabschnitte e cm Blechbreite r cm Bahnradius xo' Yo m Koordinaten eines Kreismi ttelpunktes A mm2 freie Düsenfläche eines Zerstäubers mm2 Kolbenfläche ~ Winkel a o (Grad) Spritzstrahlwinkel 13 o (Grad) Neigungswinkel zur Spritzbahn 'Y o (Grad) Stufenwinkel er o (Grad) Drehwinkel eines Körpers im Raum M g/min Massenstrom g/min Materialdurchflußmenge (Lackmassenstrom) g/min Zerstäubungsluftmenge (Luftmassenstrom) (Nl/min)
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