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Energieketten für die Mikromontage

Extreme Anforderungen an Verfügbarkeit und Langlebigkeit

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 setzt dabei vorkonfektionierte Leitungen und Energieketten von igus® ein.

Wer schon einen neuen europäischen Reisepass besitzt, der hat ein Produkt in der Brieftasche, das höchstwahrscheinlich mit einer Maschine der Häcker Automation GmbH in Schwarzhausen/Thüringen hergestellt wurde: Die 18-Achsen-Maschine klebt einen hauchdünnen Transponderdraht, der die Maschinenlesbarkeit gewährleistet, auf ein Substrat – vollautomatisch und mit einer Geschwindigkeit von rund 5 m/s.

Wer noch mit altem Pass reist, der verlässt sich vielleicht beim Autofahren auf eine oder mehrere hochsensible Komponenten, die auf einer Häcker-Maschine produziert werden: Viele Sensoren z.B. für elektronische Brems- und Stabilisierungssysteme (ABS, ESP etc.) werden auf Maschinen aus Schwarzhausen hergestellt.

Kernkompetenz: Montieren, Dosieren und Handhaben im Mikrometerbereich Die Beispiele zeigen Häckers guten Namen, wenn es um die Montage von anspruchsvollen miniaturisierten Komponenten geht. Zwar gibt es auch Ausnahmen wie z.B. die Montage von Dachfenstern, für die Häcker ebenfalls schon Automatisierungslösungen entwickelt hat, aber die Kernkompetenz des vor elf Jahren von Gerrit Häcker gegründeten Unternehmens liegt eindeutig in der Fertigung für die hochintegrierte Produktion im Mikrometerbereich.

Hier erreichen die Maschinen beeindruckende Genauigkeiten. Zum Beispiel vergießen sie – unterstützt von einer 3D Bildverarbeitung mit zwei Kamerasystemen – zuverlässig einzelne Bond-Drähte mit einer Genauigkeit unter 20 µm. Diese Genauigkeiten werden auch bei der 3D-Montage mit Mikrobauteilen erreicht. Gerrit Häcker: „Wir haben ein Modulsystem für die einzelnen Arbeitsschritte wie zum Beispiel Kleben, Dosieren und Bestücken entwickelt, das wir jeweils individuell kombinieren. Für die Montageprozesse stehen über 35 verschiedene Systeme zur Verfügung“

Höchste Anforderungen an Qualität und Verfügbarkeit

Dabei gelten höchste Qualitätsanforderungen. Ein ESP-System im Fahrzeug zum Beispiel bezieht Informationen aus zwölf oder vierzehn Sensoren, die mit extrem hoher Zuverlässigkeit arbeiten müssen: Ausfälle darf es hier nicht geben. Die Maschinen, die Häcker für diese Aufgabe baut, 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 – und sie erwarten Flexibilität: Auch kleine Losgrößen müssen wirtschaftlich und schnell gefertigt werden können, ohne dass die Qualität beeinträchtigt wird. Gerrit Häcker: „Unsere Maschinen müssen auch bei kleinen Losgröße und häufigem Umrüsten höchste Qualität produzieren.“

Voraussetzung: Leistungsfähige Zulieferer

Solche Anforderungen sind bei den komplexen Maschinen – die 18-Achsen-Maschine für die Reisepassproduktion ist dafür ein gutes Beispiel – nur dann zu realisieren, wenn man auch bei den Zulieferkomponenten wie z.B. den Antrieben nur mit ausgewählten Partnern zusammenarbeitet und absolut hochwertige Komponenten einsetzt.

Energie- und Datenleitungen für Millionen von Bewegungszyklen

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. Jens Beyer, verantwortlicher Techniker für die Kabelkonfektion bei der Häcker Automation GmbH: „Unsere 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.

Leitungen für höchste Anforderungen – von igus®

Dieses anspruchsvolle Anforderungsprofil fand Häcker im Leitungsprogramm von igus® verwirklicht, 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 – ein Prinzip, das igus® bereits 1989 entdeckt und seitdem stetig weiterentwickelt hat.

Ein weiteres konstruktives Detail: Der schützende Mantel – bei dem der Anwender aus sieben verschiedenen Werkstoffen wählen kann – ist „zwickelfüllend“ ausgeführt. Das bedeutet: Der Mantel umhüllt nicht einfach die Adern (dann würde der nötige Halt für die verseilten Adern fehlen), sondern der Mantelwerkstoff wird auch zwischen die mit Talkum eingepuderte Aderverseilung gespritzt. So ist sichergestellt, dass sich die Aderverseilung durch die Bewegung nicht öffnet, sondern sich wie in einem Kanal geführt hin- und herbewegen kann.

Diese Details zeigen: In hochbeanspruchten Energieketten sollten Leitungen zum Einsatz kommen, die für diesen Anwendungsfall entwickelt wurden. 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.

Hohe Ansprüche auch an die Energieführungen

Auch an die Energieführungssysteme stellt Häcker hohe Anforderungen: Sie müssen bei hohen ebenso wie bei niedrigen Geschwindigkeiten reibungsarm und vibrationsfrei laufen. Die Kompaktheit spielt ebenfalls eine Rolle: Die Montageoperationen finden zumeist auf einem Arbeitsfeld von 500 x 500 mm statt, und zur Maxime der Häcker-Konstrukteure gehört es, keinen Bauraum für die Energiekette zu „verschenken“. In den kompakten Antriebs- und Funktionsmodulen sind teilweise ebenfalls Energieketten integriert.

Vibrationsarme Energiezuführung für die Mikromontage

Das ist ein anspruchsvolles Kriterium für eine Energiekette, die sich bei jeder einzelnen Bewegung mit einem Tempo von bis zu 5 m/s und einer Beschleunigung bis 40 m/s² bewegt. Jens Beyer: „Darüber hinaus stellen wir hohe Anforderungen an das Abriebverhalten der Kette, da unsere Maschinen zumeist im Reinraum arbeiten.“ Unter diesen Bedingungen bewähren sich 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.

Auslegung des Energieführungssystems: Detailarbeit ist gefragt

Dennoch: 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.

Foto Maschinen für die Mikromontage

Hohe Leistung auf kleinem Bauraum: Häcker entwickelt und fertigt Maschinen für die Mikromontage z.B. von Sensoren und elektronischen Bauelementen.

 
Foto Energieketten für die x-, y- und z-Achse

Blick auf den Arbeitstisch einer in der Montage befindlichen Maschine – gut zu sehen sind die Energieketten für die x-, y- und z-Achse.

 
Foto Antriebs- und Funktionsmodule

In den einzelnen Antriebs- und Funktionsmodulen sind teilweise auch Energieketten integriert.

 
Foto Energiekette

Geordnete Bewegung: Die Anordnung der Leitungen in der Energiekette verlangt viel Detailarbeit.

 
Foto der beteiligten Personen

Teamarbeit mit sehr gutem Ergebnis. Von links nach rechts: Gerrit Häcker, Geschäftsführer der Häcker Automation GmbH, igus® Vertriebsingenieur Yve Kirsch und Jens Beyer, Techniker der Häcker Automation GmbH

 
Foto Energieketten der Baureihe E2

Auch für kurze Hübe kommen Energieketten der Baureihe E2 Micro zum Einsatz.

 
Foto der Befestigung von Kette und Leitungen

Auch die Befestigung von Kette und Leitungen muss konstruktiv optimal gelöst sein, um die hohen Anforderungen an Verfügbarkeit und Langlebigkeit zu erfüllen.

 

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.

Entwicklungsarbeit im igus®-Labor

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.

Kurze Durchlaufzeiten

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.

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