Montagepressen für Low

Klar definierte Prozesse und Parameter haben in der Montage einen hohen Stellenwert. Das heißt aber nicht, dass es ab und zu keinen Raum für ein wenig Flexibilität gibt.

Ein gutes Beispiel ist das Pressen mit geringer Kraft. Wie dieser Begriff definiert wird, hängt vom Hersteller ab, der die Pressung durchführt, sowie von der verwendeten Technologie.

„Geringe Kraft ist beim Pressen ein sehr subjektiver Begriff“, bemerkt Glenn Nausley, Präsident von Promess Inc., das seit 1984 Pressen herstellt. „Zum Beispiel kann eine pneumatische Presse mit geringer Kraft eine sein, die mindestens 3 Kilonewton (ca 675 Pfund) Kraft, wohingegen eine Dornpresse mit geringer Kraft nur 0,4 Kilonewton (etwa 100 Pfund) Kraft erzeugen kann. Servopressen können sogar noch tiefer gehen.“

Als Beispiel verweist Nausley auf die Promess FlexIQ-Serie, die aus drei Modellen mit einem Kraftbereich von 0,2 Kilonewton (45 Pfund), 1 Kilonewton (225) bzw. 3 Kilonewton besteht. Die erst im Juni vorgestellten Kompaktpressen bieten hohe Präzision und können mit Sicherheitsfunktionen und integrierter Überwachung ausgestattet werden. Ihre einfache Software ermöglicht eine schnelle Einrichtung, sodass Hersteller Teile innerhalb einer Stunde nach dem Auspacken einer der Maschinen pressen können.

„Wir haben die Pressen entwickelt, um den Anforderungen unserer Kunden aus den Bereichen Elektronik, medizinische Geräte und Konsumgüter, die große Mengen an Kleinserien produzieren, besser gerecht zu werden“, sagt Nausley. „Sie sind speziell so konzipiert, dass keine Teile beschädigt werden, auch nicht die kleinsten.“

Die größte Herausforderung bei jeder Pressanwendung besteht darin, den „Sweet Spot“ zu finden, an dem die Presse am kosteneffizientesten konsistente, qualitativ hochwertige Ergebnisse liefert. Beim Pressen mit geringem Kraftaufwand setzen Hersteller zunehmend auf elektromechanische Servopressen, um dieses Ergebnis zu erreichen. Anbieter wie Promess bieten jetzt Modelle mit geringem Kraftaufwand für so viel Kontrolle und Genauigkeit an, wie jede Anwendung erfordert.

Vor diesem Jahrhundert wurde das Pressen mit geringer Kraft nur mit einer manuellen oder pneumatischen Presse durchgeführt. Zu den manuellen Pressentypen gehören Zahnstangenpressen, Kniehebelpressen und Kniehebelpressen mit pneumatischer Unterstützung. Eine Zahnstangenpresse erzeugt über die gesamte Hublänge eine konstante lineare Kraft.

Bei einer Standard-Kniehebelpresse ist der Stößel über einen Kniehebelmechanismus verbunden, der die vom Stößel ausgeübte Kraft exponentiell vervielfacht. Diese Presse erzeugt am Anfang des Hubs wenig Kraft, liefert aber am Ende die maximale Kraft.

Der Hauptnachteil der Verwendung einer manuellen Presse bei Anwendungen mit geringem Kraftaufwand besteht darin, dass der Bediener bei jedem Zyklus eine gleichmäßige Kraft aufbringen muss. Zu den Möglichkeiten, dieses Ergebnis sicherzustellen, gehört der Einsatz von Schaltern, Kraftanzeigen und Verriegelungsmechanismen, um zu überprüfen, ob der Hub vollständig abgeschlossen ist, bevor der Stößel angehoben wird. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Qualitätskontrolle ist der Einsatz einer Kniehebelpresse mit pneumatischer Unterstützung, die die Zykluszeit verkürzt und die Ermüdung der Arbeiter verringert.

„Eine manuelle Dornpresse kann eine gute Wahl für Anwendungen mit geringem Kraftaufwand sein“, fügt Nausley hinzu. „Der Schlüssel liegt darin, einen Bediener mit dem richtigen Fingerspitzengefühl zu haben, der genau weiß, wann er mit der Presskraft etwas sanfter umgehen muss.“

Es gibt zwei Arten von pneumatischen Pressen: direktwirkende und Kniehebelpressen. Die direkt wirkende Presse erzeugt über die gesamte Hublänge eine konstante lineare Kraft. Ähnlich wie bei der manuellen Presse erzeugt ein pneumatisches Kniehebelmodell am Anfang des Hubs nur wenig Kraft, liefert aber am Ende die maximale Kraft.

Beide Typen verfügen standardmäßig über einen Luftzylinder und Steuerventile, die den Presszyklus einleiten und den Stößel sicher auf und ab bewegen. Pneumatische Pressen bieten eine hohe Geschwindigkeit, wobei die maximale Kraft durch die Zylinderbohrungsgröße und den Luftdruck bestimmt wird.

Die meisten Pressen mit geringer Kraft erzeugen eine Kraft von mindestens 1 Kilonewton. Einige erzeugen jedoch nur eine Kraft von 30 Newton, was sie für medizinische Geräte, kleine elektronische Teile und mechanische Präzisionsbaugruppen effektiv macht.

Der Nachteil besteht darin, dass pneumatische Pressen nur begrenzte Kontrolle bieten, es sei denn, die Werkzeuge sind mit harten Anschlägen ausgestattet. Der Arbeitshub der Presse kann unruhig sein und von Teil zu Teil variieren. Zudem ist der Montagevorgang für den Pressenbediener sozusagen nicht „fühlbar“, da es kein taktiles Feedback gibt.

Es sind jedoch optionale Geräte und Zubehörteile erhältlich, um die Steuerung und Überwachung der Presse zu verbessern. Dazu gehören Druck- und Hubpositionsschalter, Regler und Rückmeldungsgeräte wie Wägezellen.

„Bei pneumatischen Pressen ist die Kraftkontrolle begrenzt, aber sie ist besser als bei manuellen Pressen“, sagt Phil Cohen, General Sales Manager bei Janome Industrial Equipment USA Inc. „Eine gute Analogie ist, dass pneumatische Pressen die Kontrollierbarkeit bieten wie die Verwendung eines Hammers, wohingegen manuelle Pressen die Kontrollierbarkeit bieten wie die Verwendung eines Hammers.“

„Obwohl Servopressen schon seit fast 30 Jahren für alle Pressarten eingesetzt werden, erfreuen sie sich beim Pressen mit geringer Kraft erst seit etwa fünf Jahren großer Beliebtheit“, erklärt Nausley. „Das liegt zum Teil daran, dass die Kosten für Servomotoren und Steuerelektronik in den letzten Jahren deutlich gesunken sind. Vor allem aber liegt es am wachsenden Markt für medizinische Geräte, da unsere Bevölkerung immer älter wird. Produkte wie Spritzen, Herzschrittmacher und medizinische Pflaster erfordern beim Zusammenbau allesamt ein Pressen mit geringer Kraft.“

Im Gegensatz zu manuellen und pneumatischen Pressen bieten Servopressen eine Regelung der Stößelposition, -geschwindigkeit und -kraft für präzises und wiederholbares Pressen. Diese Steuerung erfolgt über den Servomotor der Presse, der Drehmoment und Geschwindigkeit gemäß den Befehlen einer Steuerung bereitstellt. Der Motor kann bei jeder Geschwindigkeit die volle Energie liefern, jedoch nicht zu jedem Zeitpunkt des Hubs die volle Kraftkapazität.

Zu den weiteren Vorteilen der Presse gehören die Flexibilität für High-Mix-Operationen, weniger Ausschuss und eine relativ geringe Stellfläche. Auch die Energieeffizienz wird verbessert, da der Motor immer Drehmoment und Geschwindigkeit basierend auf dem zugeführten Strom und der zugeführten Spannung erzeugt.

Der einzige Nachteil von Servopressen ist die höhere Anfangsinvestition. Dies wird jedoch in der Regel durch geringere Betriebs- und Wartungskosten ausgeglichen.

Servobetriebene Linearantriebe sind eine weitere Option für präzises Pressen mit geringem Kraftaufwand. Der Grundantrieb besteht aus einem Motor, einem Getriebe und einer Antriebsschraube. Die Kraft wird entweder über das Motordrehmoment oder eine extern montierte Kraftmessdose gemessen. High-End-Aktuatoren verfügen über zusätzliche mechanische Komponenten, wie z. B. eine Planetenrollengewindespindel und geführte Antirotationsarme.

Cohen stimmt zu, dass die Herstellung medizinischer Geräte im Allgemeinen ein wachsender Markt für das Pressen mit geringer Kraft ist. sondern insbesondere für servoangetriebene Pressanwendungen, die Fingerspitzengefühl erfordern. Zu den weiteren Stammkunden von Janome zählen Hersteller aus den Bereichen Unterhaltungselektronik, Automobil, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt. Alle Produkte, die diese Unternehmen mit Niederkraftpressen zusammenbauen, erfordern eine detaillierte Kraftüberwachung und Teilerückverfolgbarkeit, die Janome in seinem C-Rahmen-Presssystem JP Series 5 bietet.

„Luft- und Raumfahrthersteller verwenden Pressen mit geringem Kraftaufwand, um branchenspezifische Steckverbinder zusammenzubauen, die wichtige Komponenten im internen Elektroniksystem des Flugzeugs sind“, sagt Cohen. „Diese Art der Verpressung ist auch für Kleinteile notwendig, die in motorseitigen Hydraulik- und Kraftstofffördersystemen eingesetzt werden.“

Vier Modelle der JP-Serie sind für das Pressen mit geringer Kraft ausgelegt und haben eine maximale Kapazität von 0,5, 1, 2 bzw. 5 Kilonewton. Die Hublänge beträgt 80 oder 100 Millimeter bei einer maximalen Geschwindigkeit von 414 oder 280 Millimetern pro Sekunde. Die Positionswiederholgenauigkeit beträgt ±0,005 Millimeter.

Vor zwei Jahren nutzte ein globaler Verteidigungshersteller die JP Series 4-Druckmaschine, um einen Produktionsprozess zu standardisieren, maximale Qualität sicherzustellen und Feldfehler zu beseitigen. Die Presse erreichte diese Ziele, indem sie je nach Bedarf über eine bekannte Dauer konstanten Druck bei niedrigen und hohen Kraftgrenzen ausübte, auch wenn die Teile nicht unter Spannung standen.

„Herkömmliche hydraulische Pressen konnten sich nicht anpassen, wenn die Kräfte beim Absetzen nachließen“, sagt Cohen. „Dadurch entstanden Felddefekte, die kaum nachvollziehbar waren. Zur Steuerung des Prozesses und zur Einhaltung des Produktionsplans war Echtzeit-Feedback erforderlich.“

Niedrigkraftpressen von Kistler Instrument Corp. werden regelmäßig von Unternehmen in der Medizin-, Unterhaltungselektronik- und Automobilindustrie sowie von Unternehmen eingesetzt, die Schmuck und Elektrowerkzeuge herstellen. Letztere verwenden zur Montage kleiner Motoren Pressen mit geringem Kraftaufwand.

Zu den medizinischen Anwendungen gehören Injektorstifte und Inhalatorkomponenten. Im Automobilbereich verlassen sich sowohl Tier-1-Unternehmen als auch Erstausrüster auf Druck mit geringer Kraft, um Radarsysteme und Türgriff-Computerchips zu bauen sowie Federtests für Tasten im Fahrzeuginneren durchzuführen.

Da Kistler seinen Hauptsitz in der Schweiz hat, ist es nicht verwunderlich, dass dort mehrere Uhrenhersteller seit mehreren Jahren das Kistler NCFT-Fügemodul Typ 2157B einsetzen. Kyle Fischer, Vertriebsingenieur für Verbindungssysteme und fortschrittliche Fertigung bei Kistler, sagt, Uhrmacher nutzen die Presse, um verschiedene winzige Komponenten präzise zu installieren.

Der 2157B verfügt über einen integrierten piezoelektrischen Sensor für hochpräzise Messungen in zwei vordefinierten Bereichen: 0,05 bis 0,5 Kilonewton und 0,25 bis 1,5 Kilonewton. Laut Fischer befindet sich der Sensor im Kopf des Stößels, um eine möglichst genaue Kraftmessung zu gewährleisten. Diese Daten werden dann drahtlos an einen Verstärker am Pressengehäuse übertragen.

Die Presse ermöglicht einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit kurzen Zykluszeiten. Es ist außerdem ISO-zertifiziert für Reinraumarbeiten der Klassen 7 und 8.

„Der wachsende Markt für Batterien und Motoren für Elektrofahrzeuge treibt definitiv das Wachstum beim Pressen mit geringer Kraft voran“, behauptet Richard Vaughn, Automatisierungstechnikmanager für Lineartechnik bei Bosch Rexroth Corp. „Pressen mit geringer Kraft wird auch zum Crimpen von Drähten an Steckverbinder eingesetzt für Kabelbäume, Einpressdübel und -stifte sowie Einsteckklemmen und Kunststoffteile in Mobiltelefonen sowie Lager in Automobilen und Haushaltsgeräten. Ein weiterer Bereich, der auf dem Vormarsch ist, ist die Prüfung von Federn und Dichtungen durch Qualitätssicherungstechniker.“

Der Wechsel zur Servopressentechnologie für das Pressen mit geringer Kraft kann eine Herausforderung sein. Aus diesem Grund verwenden einige Unternehmen während der Umstellung weiterhin manuelle oder pneumatische Pressen als Backup. Ein anderer Ansatz besteht darin, Maschinen älterer Technologie für weniger kritische Anwendungen und die Servopresse für Anwendungen zu verwenden, die eine höhere Genauigkeit, Sicherheit und Produktrückverfolgbarkeit erfordern.

„Wir finden, dass es für Umstellungskunden am besten ist, die Servotechnologie langsam einzuführen“, bemerkt Fischer. „Dies hilft ihnen, ihre aktuellen Pressprojekte mit geringer Kraft zu optimieren und gleichzeitig die Vorteile des Servopressens vollständig kennenzulernen. Ein Beispiel hierfür ist, dass bei Servopressen häufig Kraft- und Abstandsschwankungen auftreten, die beim Pressen aufgetreten sind, ohne dass der Hersteller dies überhaupt bemerkt hat. Diese Art von Erkenntnissen weckt bei Unternehmen den Wunsch, so oft wie möglich Servopressen einzusetzen.“

Der Übergang zu Servopressen wirkt sich auch auf Maschinenbauer und Integratoren aus. Fischer sagt, dass sie schnell merken, dass die Hochspannung des Servos (480 V) übermäßiges elektrisches Rauschen erzeugen kann. Solche Geräusche können den Motor, die Kraft und die Positionierungskabel der Presse beeinträchtigen und zu Datenfehlern aufgrund von Schwankungen im angezeigten Kraftwert führen. Durch die Abschirmung der Kabel und die Maximierung des Abstands zwischen ihnen wird die Geräuschbelastung des Servosystems minimiert.

Im vergangenen März stellte Bosch Rexroth sein Smart Function Kit vor, um Herstellern und Systemintegratoren bei der Implementierung von Servopressen für Anwendungen mit niedriger (2 bis 5 Kilonewton), mittlerer (6 bis 17) und hoher Kraft (18 bis 30) zu helfen. Die Linearbewegungssoftware LinSelect hilft Ingenieuren bei der Auswahl und Dimensionierung des richtigen Kits für eine Anwendung.

„Dieses Kit verbessert die Produktivität für eine Vielzahl von Anwendungen“, erklärt Vaughn. „Dazu gehören das Einpressen von Lagern in Gehäuse, das Crimpen von Kabeln und Schläuchen, das Biegen und Prägen von Kunststoffteilen sowie die Durchführung verschiedener Mess- und Prüfverfahren.“

Nachdem der Endbenutzer die Komponenten in der richtigen Größe ausgewählt hat, lädt er CAD-Dateien für jede Komponente herunter und entwirft das System mit einem Online-Konfigurator. Diese gewünschte Konfiguration wird dann über den Bosch E-Shop bestellt, wobei alle Komponenten als Komplettpaket geliefert werden.

„Dank der intuitiven Konfigurationsfunktion des Kits sind für den Endbenutzer keine Programmierkenntnisse erforderlich“, bemerkt Vaughn. „Eine vorinstallierte Bediensoftware ermöglicht eine automatische Parametrierung des Servoantriebs und eine schnelle Inbetriebnahme. Dies verkürzt die Entwicklungszeit um bis zu 95 Prozent und kann die Markteinführungszeit erheblich verkürzen.“

Durch den Einsatz des Smart Function Kit ist der Hersteller von Sensoren und elektronischen Steuerungen, Sensata Technologies Inc., in der Lage, kleine Chargen verschiedener Sensortypen auf einer Montagelinie statt auf mehreren zu produzieren. Das Kit ermöglicht es dem Unternehmen außerdem, Prozessdaten zu erfassen und Produktionsmodule für eine schnelle Inbetriebnahme autonom zu konfigurieren.

Vaughn sagt, dass die visuelle Programmierung des Kits es den Ingenieuren erspart, Zeile für Zeile zu codieren. Stattdessen wählen sie vordefinierte Softwareblöcke aus und erstellen per Drag & Drop einen sequentiellen Workflow. Bei der Definition einzelner Fügeprozesse geben die Ingenieure lediglich die zugehörigen Parameter ein.

„Zu Überwachungszwecken werden Statusinformationen und Prozessergebnisse, einschließlich einer Kraft-Weg-Kurve, live angezeigt und aufgezeichnet“, sagt Marc Hubsch, technischer Leiter im Bereich Encoder bei Sensata. „Alle Daten werden direkt in unser IT-System übertragen, dort gespeichert und zur Qualitätssicherung analysiert. Das bedeutet eine deutlich höhere Transparenz in der Produktion.“

Laut Nausley ist die genaue Messung der Presskraft immer wichtig, aber nicht unbedingt einfach. Er weist darauf hin, dass die Hersteller allzu oft davon ausgehen, dass eine Ungenauigkeit der Kraft auf eine schlechte Wägezelle zurückzuführen sei.

„Müll rein, Müll raus wirkt sich definitiv auf die mechanische Seite des Pressens aus“, sagt Nausley. „Dazu gehört auch der Verbindungsaufbau von der Wägezelle bis zum Pressvorgang. Es ist immer am besten, das Messgerät so nah wie möglich am Arbeitsbereich zu platzieren. Überprüfen Sie auch die Werkzeuge und Vorrichtungen. Stellen Sie sicher, dass das Teil gerade oder parallel gehalten wird.“

Eine letzte Herausforderung für Hersteller besteht darin, den Ausrüstungslieferanten die richtigen Informationen bereitzustellen, damit diese die beste Presse für eine Anwendung mit geringer Kraft empfehlen können.

„Ein guter Anfang ist es, uns mitzuteilen, wie sicherheits- und toleranzkritisch die Teile sind, die gepresst werden“, sagt Cohen. „Der Hersteller sollte ein anfängliches Kraftniveau haben und dieses dann während der Musterprüfung mit der Demopresse des Lieferanten bestätigen. Dieser Test ist auch ein guter Zeitpunkt, um sorgfältig zu untersuchen, warum beim Pressen etwas schief gelaufen ist. Diagramme zur Presskraftüberwachung zeigen diese Probleme und alle anderen negativen Trends.“

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.