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  5. Anwenderbericht: Maschinen für die Mikromontage

Energieketten in Maschinen für die Mikromontage von elektrischen Bauteilen

Energieketten und chainflex-Leitungen bei bis zu 20 Millionen Bewegungszyklen pro Tag

Mehrere Millionen Arbeitszyklen pro Jahr bei höchster Präzision im Mikrometerbereich und fünf Jahre Wartungsfreiheit: Die Häcker Automation GmbH entwickelt und fertigt Maschinen für die Mikromontage, die höchsten Anforderungen gerecht werden. Und auch bei den Partnerunternehmen und eingesetzten Komponenten überlässt das Unternehmen aus Schwarzhausen nichts dem Zufall. Heute kommen für die Energie- und Datenzuführung Leitungen und Energieketten von igus zum Einsatz.

Steckbrief

  • Was wurde benötigt: Energieketten der E6-Baureihe und E2-Baureihe, chainflex-Leitungen u.a. der Serien CF 2, CF10, CF 11, CF 27 und CFPE als Schutzleiter
  • Anforderungen: mindestens 5 Jahre wartungsfreier Betrieb der Maschinen und Komponenten, bis zu 20 Millionen Bewegungszyklen pro Tag, reibungsarmer und vibrationsarmer Lauf der Energiezuführung bei hohen wie auch niedrigen Geschwindigkeiten, Kompaktheit der Lösung
  • Branche: Werkzeugmaschinenbau
  • Erfolg für den Kunden: Detail-Engineering für den Kunden bzgl. Planung der Biegeradien, Innenaufteilung der Leitungen, Zugentlastung, etc., wartungsfreie Energiezuführung, extrem lange Lebensdauer trotz Dauerbelastung, ausgewählte Materialien der Leitungen gewähren extrem hohe Standzeit, besonders ruhige und vibrationsarme (E6-) Ketten
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Häcker Maschinen Hohe Leistung auf kleinem Bauraum: Häcker entwickelt und fertigt Maschinen für die Mikromontage z.B. von Sensoren und elektronischen Bauelementen.

Problem

Die Kernkompetenz des vor elf Jahren von Gerrit Häcker gegründeten Unternehmens Häcker Automation GmbH liegt in der Fertigung für die hochintegrierte Produktion im Mikrometerbereich. Für den europäischen Reisepass z.B. klebt die 18-Achsen-Maschine von Häcker einen hauchdünnen Transponderdraht, der die Maschinenlesbarkeit gewährleistet, auf ein Substrat. Aber auch in Autos kommen Sensoren, z.B. für elektronische Brems- und Stabilisierungssysteme (ABS, ESP etc.), vor, die auf Häcker-Maschinen hergestellt wurden.
Diese Maschinen produzieren rund 15 Millionen Sensoren pro Jahr – mit einer Fehlerrate von deutlich unter 1 ppm (parts per million). Zugleich erwarten die Kunden eine extrem hohe Verfügbarkeit der Maschinen, die im Dreischichtbetrieb das ganze Jahr über durchlaufen. So müssen für die Maschinen ausgewählte Partnern und hochwertige Einzelkomponenten gefunden werden.
Das gilt auch für die Energie- und Datenleitungen, die über die x-, y- und z-Achse zu den Greif-, Montage- oder Dosiereinheiten führen. Denn Häcker verfolgt u.a. das Entwicklungsziel, die Maschinen fünf Jahre lang wartungsfrei betreiben zu können. Die Maschinen absolvieren im Einschichtbetrieb 5 bis 7 Millionen Zyklen pro Jahr, im 24-Stunden-Betrieb können es bis zu 20 Millionen sein. Das bedeutet: Alle beweglichen Komponenten, auch die Leitungen, müssen im Extremfall für 100 Millionen Bewegungszyklen ohne Wartung oder gar Austausch entwickelt sein.
Daneben müssen die Energieführungssysteme bei hohen wie auch bei niedrigen Geschwindigkeiten reibungsarm und vibrationsfrei laufen. Aber auch die Kompaktheit spielt eine wichtige Rolle in den Maschinen: Da die Montageoperationen zumeist auf einem Arbeitsfeld von 500 x 500 mm stattfinden, gehört es zur Maxime der Häcker-Konstrukteure, keinen Bauraum für die Energiekette zu „verschenken“.

Lösung

Dieses anspruchsvolle Anforderungsprofil fand Häcker im Leitungsprogramm von igus, nachdem man zuvor andere Leitungen eingesetzt hatte, die zu Ausfällen neigten und nicht den hohen Ansprüchen genügten. Dass dies bei den igus-Leitungen nicht passierte, hat seinen Grund. Denn die Signal- und Energieleitungen der Chainflex-Serien wurden speziell für den Einsatz in Energieketten entwickelt und zeichnen sich durch extrem lange Lebensdauer bei der Dauerbelastung durch die Bewegungen mit der Energiezuführung aus. Bei ihnen kommen sowohl neue Leiterwerkstoffe als auch spezielle Mantelmaterialien zur Anwendung – mit dem Ergebnis, dass die Leitungen beim Einsatz in Energieketten im Vergleich zu konventionellen Leitungen ein Vielfaches an Standzeit erreichen. Die gefürchteten „Korkenzieher“ mit anschließendem Adernbruch werden schon durch den grundsätzlichen Aufbau der Chainflex-Leitungen vermieden. 
Häcker verwendet u.a. Chainflex-Leitungen Serien CF 2, CF 10, CF 11, CF 27 und CFPE als Schutzleiter – und sieht sich in der Auswahl bestätigt, denn bislang traten trotz der hohen Anforderungen und der millionenfachen Bewegungen tatsächlich keine Ausfälle auf.
Häcker Automation stellt aber auch hohe Anforderungen an das Abriebverhalten der Kette, da die Maschinen zumeist im Reinraum arbeiten. Unter diesen Bedingungen bewähren sich heute die Energieführungsketten der E6-Baureihe von igus, die Häcker für die Linearführungen der x-, y- und z- Achsen nutzt. Diese Ketten zeichnen sich durch einen sehr ruhigen, vibrationsarmen Lauf aus – eine unabdingbare Voraussetzung in der Mikromontage. Und sie sind extrem langlebig.
„Die Leitungen müssen in der Kette optimal geführt sein - gerade dann, wenn die Kette dicht gepackt ist. Die Biegeradien sind dabei ebenso zu berücksichtigen wie die Innenaufteilung und eine wirksame Zugentlastung. Die Leitungen dürfen in der Kette keine Bewegung zeigen, sie dürfen aber auch nicht befestigt werden: Hier ist viel Detail-Engineering nötig, bei dem uns igus sehr gut unterstützt hat."

Jens Beyer, Techniker bei der Häcker Automation GmbH
Energiekette Blick auf den Arbeitstisch einer in der Montage befindlichen Maschine – gut zu sehen sind die Energieketten für die x-, y- und z-Achse.
Energieketten In den einzelnen Antriebs- und Funktionsmodulen sind teilweise auch Energieketten integriert.

Auslegung des Energieführungssystems: Detailarbeit ist gefragt

Es ist nicht nur die Kette an sich, die eine lange Lebensdauer des Energieführungssystems garantiert. Hier ist immer auch Detailarbeit gefragt, die igus und Häcker gemeinsam erledigten. Jens Beyer: „Die Leitungen müssen in der Kette optimal geführt sein – gerade dann, wenn die Kette dicht gepackt ist. Die Biegeradien sind dabei ebenso zu berücksichtigen wie die Innenaufteilung und eine wirksame Zugentlastung. Die Leitungen dürfen in der Kette keine Bewegung zeigen, sie dürfen aber auch nicht befestigt werden: Hier ist viel Detail- Engineering nötig, bei dem uns igus sehr gut unterstützt hat.“ Mit Erfolg: Auch Energiekettensysteme mit kleinsten Abrollbereichen von nur 50 mm, die z.B. im Bewegungssystem für den Dosierhub zum Einsatz kommen, erreichen die von Häcker geforderten extrem langen Standzeiten.

Das ist auch deshalb bemerkenswert, weil die Leitungen und die Energiezuführungen aufgrund der hohen Geschwindigkeiten stark beansprucht werden. Aber die Auslegungsarbeit, die igus für Häcker geleistet hat, gewährleistet die hohe Verfügbarkeit über lange Zeiträume. Dabei wurden auch für spezielle Anforderungen überzeugende Problemlösungen entwickelt – zum Beispiel hat igus nach Versuchen im Labor eine energiekettentaugliche PE-Leitung mit 1,5 mm2 Querschnitt für die Energieketten-Systeme bei Häcker anbieten können.  

Zur Detailarbeit gehören die Kettenbefestigung, die konstruktiv in das Energieführungssystem integriert wurden, und die Auswahl der Leitungen. Die hohen Anforderungen an die Lebensdauer machen es erforderlich, dass nur getestete Komponenten montiert werden. Das gilt für die Energiekette ebenso wie für die Leitungen, die konfektioniert als ReadyCable von igus bezogen werden: Dann muss das Montagepersonal in Schwarzhausen nicht die Konfektionierungsarbeit leisten und kann den kompletten Leitungssatz einschließlich Steckverbindungen direkt anschließen. Das spart Zeit, und die zählt bei Häcker: Für den Bau einer Maschine wird nur eine Durchlaufzeit von zehn Tagen veranschlagt.
Energiekette Geordnete Bewegung: Die Anordnung der Leitungen in der Energiekette verlangt viel Detailarbeit.
Energiekette Auch die Befestigung von Kette und Leitungen muss konstruktiv optimal gelöst sein, um die hohen Anforderungen an Verfügbarkeit und Langlebigkeit zu erfüllen.