Trockenreinigung von Elektromotoren in der Automobilindustrie

Hochautomatisierte Lösung sichert hohe Sauberkeit in kurzer Taktzeit

Verunreinigungen lassen sich bei der Montage von komplexen elektrischen Baugruppen nicht vermeiden. Bei einem renommierten Automobilzulieferer verhindert eine anwendungsspezifisch ausgelegte Trockenreinigungslösung von Ecoclean, dass Partikel im späteren Betrieb von Servolenkungen Funktionsstörungen verursachen. Der hochautomatisierte Prozess ermöglicht gleichzeitig sehr kurze Taktzeiten.

Mit dem Einsatz energieeffizienterer Antriebe – seien es Hybrid-, reine Elektro- oder optimierte Verbrennungsmotoren – nimmt die Ausstattung der Fahrzeuge mit Fahrerassistenzsystemen, beispielsweise Einparkhilfe, Spurhalteassistent, Autobahnpilot und automatisches Ausweichen bis hin zum autonomen Fahren, zu. Die Komponenten, die diese Funktionen steuern und ausführen, müssen maximale Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten. Dazu zählen unter anderem die Elektromotoren für die Servolenkung, die von den Systemherstellern ständig weiterentwickelt und neuen Anforderungen angepasst werden.

Montageprozesse als Quelle der Rückverschmutzung

Strengere Spezifikationen ergeben sich dabei nicht nur an die technische Sauberkeit der Bauteile, sondern auch der Montagelinien. Denn in Montageprozessen entstehen häufig Partikel. Im Fokus stehen hier nicht nur metallische Partikel, die im späteren Betrieb die Leistung des Elektromotors beeinträchtigen und Kurzschlüsse verursachen können. Auch von nicht metallischen Verunreinigungen und Fasern geht ein Risiko aus, da sie durch die Aufnahme von Feuchtigkeit elektrisch leitend werden können.

Bei einem renommierten Automobilzulieferer zeigte die Endkontrolle, dass mit einer bereits in die Montagelinie integrierten Luft-Trockenreinigung die geforderten Sauberkeitsspezifikationen nicht erfüllt wurden. Die Projektverantwortlichen des Tier-1 wandten sich deshalb an die Ecoclean GmbH. Das Unternehmen verfügt am Standort Monschau über umfangreiche Erfahrungen in der trockenen Reinigung mit Druckluft und Vakuumtechnik, die für verschiedene Aufgabenstellungen in der Elektromobilität weiterentwickelt wurden.

Prozess- und Anlagenauslegung durch Simulation und Versuche

Da es sich bei dieser Reinigungsaufgabe um keine Anwendung „von der Stange“ handelt, erfolgte die Prozessauslegung durch einen entsprechenden Versuchsaufbau. Die einzusetzenden Tools wurden mit Hilfe einer Strömungssimulation entwickelt. Damit wird sichergestellt, dass die Reinigung zum einen mit maximaler Effizienz der Medien erfolgt und zum anderen die abgelösten Partikel zuverlässig aus der Behandlungskammer entfernt werden. Zu berücksichtigen war dabei auch, dass bei kleiner werdenden Partikelgrößen die Wahrscheinlichkeit sinkt, dass sich die Partikel bei Kontakt mit dem Reinigungsmedium spontan von der Oberfläche ablösen. Durch die Simulationen konnten die Düsenöffnungen an die jeweilige Geometrie der insgesamt sieben verschiedenen Motoren und Varianten angepasst werden. Dies stellt die optimale Beaufschlagung und damit bestmögliche Reinigungswirkung bei geringstmöglichen Betriebskosten sicher. Die Fertigung der Düsensysteme erfolgte im 3D-Druck.

Für die eigentlichen Reinigungsversuche wurden Normpartikel mit Emulsion auf die komplexen elektrischen Baugruppen aufgebracht und rund eine Stunde in einem Ofen angetrocknet, so dass die Verschmutzung stark an der Oberfläche haftete. Der anschließende Reinigungsprozess zeigte, dass bereits bei den ersten Versuchen Ergebnisse erreicht wurden, die deutlich besser als die definierten Sauberkeitsspezifikationen waren.

Prozesssichere, automatisierte Reinigung in kurzer Taktzeit

Bei der Umsetzung des erarbeiteten Prozesses in ein Anlagenkonzept war auch zu berücksichtigen, dass die Reinigung in nur 7,8 Sekunden pro Werkstück zu erfolgen hat. Gelöst hat Ecoclean diese Anforderung durch eine hochautomatisierte Anlage, die mit zwei Behandlungsstationen und zwei Manipulatoren mit Doppelgreifern ausgestattet ist. Die an die jeweiligen Elektromotoren angepassten Düsensysteme befinden sich in einem Toolregal. Die Information, welche Werkezuge zu verwenden sind, erhalten die Manipulatoren über einen RFID-Chip, mit dem jeder Elektromotor versehen ist und der bei der Zuführung zur Reinigungsanlage abgefragt wird. Der Werkzeugwechsel erfolgt mittels Schnellwechselsystem.

Der erste Manipulator entnimmt jeweils zwei Teile aus den Werkstückträgern mit denen die Teile zur Anlage transportiert werden und positioniert sie in der ersten Station. Hier werden tiefe Gewindebohrungen mit permanent überwachten Nadeldüsen ausgeblasen. Nach der definierten Reinigungszeit platziert Manipulator 1 die Teile in der Behandlungsstation 2, fährt zurück und holt zwei neue Teile.

In der als Blasbox ausgeführten Station zwei werden die Elektromotoren entsprechend ihrer Geometrie mit dem angepassten Düsensystem abgeblasen. Das Blasmesser rotiert dabei, so dass sich während des Prozesses keine strömungsschwachen Bereiche (Totzonen) ausbilden können. Der Prozess erfolgt mit möglichst niedrigem Netzdruck. Entnommen werden die Teile nach der Reinigungszeit durch Manipulator 2, der sie wieder auf den gereinigten Werkstückträgern absetzt.

Rekontamination verhindern

Für ein gleichbleibend gutes Reinigungsergebnis ist neben der zuverlässigen Entfernung der Verunreinigungen wichtig, dass diese nicht in die Umgebung vagabundieren. Dieses Ziel wurde durch die geschlossene Blasbox erreicht. Durch die spezielle Ausführung der Wände werden die entfernten Partikel von der Absaugung kontinuierlich ausgetragen. Die dafür verwendete Luft wird gefiltert in den Produktionsraum abgeführt.

Da sich auch auf den Werkstückträgern Partikel befinden können, die ein Rekontaminationsrisiko darstellen, werden sie während sich die Bauteile in Station 1 und 2 befinden in einem separaten Blasprozess gereinigt. Dabei sind dieselben Partikelgrößenvorgaben zu erfüllen wie bei den Elektromotoren.

Anbindung an das MES mit Prozessdatenübertragung

Ausgestattet ist die Anlage mit einer neu entwickelten, Industrie 4.0-kompatiblen Steuerung, die in das Manufacturing Execution System (MES) des Tier-1 eingebunden ist. Um die vom Kunden gewünschte Nachvollziehbarkeit der Reinigung zu realisieren, werden Prozessparameter wie beispielsweise der Prozessdruck in den beiden Stationen kontinuierlich überwacht und die Daten an das MES weitergegeben.

Durch die optimale Anpassung der Reinigungsprozesse an die Bauteile wird das in den Versuchen erreichte gute Reinigungsergebnis in der Serienfertigung nachhaltig erzielt. Inzwischen arbeitet das Unternehmen mit drei dieser Anlagen an zwei verschiedenen Produktionsstandorten.

Autor: Doris Schulz