Roboterlackieren für Losgröße 1 im KFZ-Reparaturbereich

KI-gestützte Robotik für automatisierte Nasslackierprozesse komplexer Bauteile und Losgröße 1.
Ein Roboter, der komplexe Bauteile scannt und selbstständig Lackierbahnen erzeugt und abarbeitet, verschiebt die aktuellen Grenzen der Lackierautomation. Das System beeindruckte bei den Workshops eines bekannten Lackieranlagenherstellers gestandene Profis – nicht nur aus dem Bereich der KFZ-Reparaturlackierung. 
 

Roboterlackierung ist in der industriellen Serienfertigung seit Jahrzehnten etabliert. Bei ständig wechselnden Werkstücken und Losgröße 1 scheiterte die Automatisierung dagegen bisher vor allem am Programmier- und Teachingaufwand. Sehon zeigt mit dem Roboter-System AI-Revolution, dass diese Grenze durchbrochen werden kann. Bei einem Workshop im Trainingscenter in Gechingen demonstrierte das Unternehmen gemeinsam mit seinem Robotikpartner NST ein System, das Bauteile scannt, daraus Lackierbahnen generiert und auch anspruchsvolle Aufgaben wie Kanten- und Beilackierungen beherrscht. Auch für die industrielle Lackiertechnik insgesamt eröffnet der Ansatz Perspektiven.

In der automobilen Serienlackierung ist die Ausgangslage für Robotik vergleichsweise komfortabel: Identische Karosserien durchlaufen in großer Stückzahl definierte Prozesse, Werkstückpositionen und Geometrien sind bekannt, einmal programmierte Bahnen können tausendfach wiederholt werden. Ganz anders sieht es in der Reparaturlackierung aus. Stoßfänger, Motorhaube, Tür, Kotflügel oder komplette Fahrzeugseite wechseln von Auftrag zu Auftrag, hinzu kommen unterschiedliche Fahrzeugmodelle, Reparatur-
umfänge und Lackaufbauten. Es herrscht Losgröße 1.

Bei einem konventionellen System steht vor der ersten Lackierung zunächst das Programmieren oder Teaching. Bei einem Einzelstück ist der dafür erforderliche Aufwand in der Regel größer als der Nutzen der späteren Automatisierung. 

Genau diese Situation macht den von Sehon gewählten Ansatz interessant. Der entscheidende Schritt besteht darin, den Programmieraufwand für das jeweilige Einzelteil weitgehend aus dem Prozess zu entfernen. Das Werkstück wird automatisiert erfasst, seine Geometrie digital ausgewertet und die erforderlichen Roboterbewegungen daraus softwaregestützt erzeugt. Klassisches Teaching jeder einzelnen Bahn wird damit überflüssig.
Wie weit dieses Konzept inzwischen gediehen ist, zeigte Sehon in einer Workshop-Reihe im eigens dafür eingerichteten neuen Trainingscenter. Theorie, Sicherheits- und Anlagenkonzept, Software, Live-Lackierung und die anschließende Diskussion mit den Teilnehmern ergaben dabei ein vielversprechendes Bild des derzeitigen Entwicklungsstandes.
Technisches Herzstück ist ein konventioneller deckenschienengeführter 9-Achsen-Lackierroboter. Das zusätzliche lineare Verfahren entlang der Kabine erweitert den Arbeitsraum so, dass er ähnlich flexibel jede Position erreichen kann, wie ein Handlackierer. Vorteilhaft ist allerdings, dass das System auch längere Lackierbahnen in einem Zug abfahren kann, während ein Handlackierer entsprechend große Bauteile in Abschnitten bearbeiten muss.

Der entscheidende Schritt liegt in der Software

Vor der Beschichtung nimmt der Roboter ein Scanwerkzeug auf und erfasst mit mehreren Scanpunkten das zu bearbeitende Objekt. Aus diesen Daten leitet die Software die notwendigen Geometrieinformationen ab und erzeugt anschließend die Bewegungsbahnen für die Applikation. 
Trotzdem verliert der Anwender dabei nicht die Kontrolle über den Prozess, denn generierte Bewegungen und Parameter können dezidiert geprüft und angepasst werden. Die Software bietet hier sehr umfangreiche Adaptionsmöglichkeiten einzelner Lackierbahnen oder Winkelpositionen der Pistole. Gleichzeitig lassen sich über Rollen- und Berechtigungskonzepte aber Eingriffsmöglichkeiten begrenzen, um Fehlbedienungen zu verhindern. 

Vom Scan direkt zur Lackierung

Für die Live-Demonstration hatte Sehon eine Motorhaube und einen Stoßfänger sowie eine Kombination aus vorderem Kotflügel, vorderer Tür und hinterer Tür vorbereitet. Anschließend ließ sich verfolgen, wie der jeweilige Auftrag in der Software angelegt und vom Roboter abgearbeitet wurde.

Der Roboter kann über Dockingstationen selbstständig zwischen Scanner und verschiedenen Lackierpistolen wechseln, im Trainingscenter stehen dafür drei Positionen zur Verfügung.
Der Anlagenbauer setzt dabei bewusst auf konventionelle Lackierpistolen aus der Reparaturlackierung, denn Farbtonfindung, Lackherstellerempfehlungen und Applikationsparameter sind im KFZ-Reparaturbereich auf genau diese Pistolen abgestimmt. Würde mit der Einführung des Roboters gleichzeitig die komplette Applikationstechnik geändert, käme eine weitere Einflussgröße in einen ohnehin anspruchsvollen Prozess. Vorhandene Pistolen und teilweise auch vorhandene Peripherie können daher grundsätzlich weitergenutzt werden. Alternativ ist aber auch die Ausrüstung mit Automatikpistolen samt Becherwechselvorrichtung möglich. Bemerkenswert ist die Aufnahmevorrichtung der manuellen Pistolen für den Roboter, die patentiert wurde.

Während der Vorführung wurde zudem deutlich, welchen Vorteil die deckengeführte Robotik bei größeren Bauteilen besitzt. Der Mensch ist durch seine körperliche Reichweite begrenzt und muss an langen Flächen gegebenenfalls neu ansetzen. Der Roboter kann dagegen entlang der gesamten Kabinenlänge verfahren und eine entsprechend lange Bahn kontinuierlich ausführen. Gerade bei größeren Fahrzeugflächen, Nutzfahrzeugen oder auch industriellen Anwendungen eröffnet das interessante Möglichkeiten.

Kanten sind der eigentliche Prüfstein

Eine Fläche mit einem Roboter zu beschichten, ist technologisch längst keine Sensation mehr. Ob ein System für die KFZ-Reparaturlackierung geeignet ist, entscheidet sich an schwierigeren Aufgaben. Dazu gehören insbesondere Kanten, komplexe Geometrien und Übergänge. Genau hier hinterließ die Demonstration einen starken Eindruck. Der Roboter bearbeitete zunächst definierte Kantenbereiche und ging anschließend gleichmäßig in die Flächenlackierung über. Auch aus dem Kreis der anwesenden Praktiker wurde die gezeigte Kantenführung ausdrücklich sehr positiv bewertet.

Noch wesentlicher ist die Fähigkeit zum Beilackieren. Dabei reicht es nicht, eine klar abgegrenzte Fläche gleichmäßig mit Lack zu versehen. Vielmehr muss der Lackauftrag kontrolliert in eine vorhandene Beschichtung auslaufen, damit insbesondere bei anspruchsvollen Farbtönen kein sichtbarer Übergang entsteht.

Der Prozess des Beilackierens funktioniert laut Sehon auch bereits bezüglich des Color-Matching, bisher müssen die Lackierparameter hierfür aber noch manuell modifiziert werden. Das geht aber, wie die Vorführung zeigte, innerhalb weniger Minuten. Eine automatisierte Parametergenerierung für das Beilackieren steht für das Jahresende auf der Agenda. Gerade diese Kombination aus automatisierter Geometrieerfassung, Kantenbearbeitung und Beilackierung hebt die Lösung technologisch hervor. Nach dem derzeitigen Wissensstand der Redaktion ist derzeit für diesen Anwendungsbereich kein vergleichbares, am Markt verfügbares System bekannt, das für qualitativ hochanspruchsvolle Lackieraufgaben der Los-größe 1 diese Kombination von Fähigkeiten bereitstellt.

Reproduzierbarkeit statt Tagesform

Der Nutzen liegt dabei nicht zwingend darin, dass der Lackierprozess weniger Zeit in Anspruch nimmt. Entscheidender ist die Reproduzierbarkeit und Tagesformunabhängigkeit der Ergebnisse. Abstand, Geschwindigkeit, Pistolenwinkel und Bahnüberlappung werden einmal festgelegt und anschließend reproduzierbar eingehalten. Der Roboter kennt weder Tagesform noch Ermüdung. Sind Prozess und Parameter korrekt definiert, fährt er jede Bewegung mit höchster Präzision. Das schafft gute Voraussetzungen für gleichmäßigen Lackauftrag, reproduzierbare Oberflächen und einen optimierten Materialeinsatz – die bisherigen Lackierversuche haben laut Sehon eindeutig ergeben, dass bei der Roboterapplikation deutlich weniger Lack verbraucht wird – angesichts dramatisch steigender Rohstoffpreise durchaus ein weiteres gutes Argument. 

Hinzu kommt die personelle Entlastung. Während der Roboter den Spritzvorgang übernimmt, kann der qualifizierte Lackierer andere Aufgaben erledigen – Vorbereitung, Farbtonmanagement, Prozesskontrolle, Finish – oder weitere Fahrzeuge vorbereiten. Gerade angesichts des Fachkräftemangels dürfte dieser Aspekt für viele Betriebe sogar entscheidender sein als die reine Produktivität des Roboters.

Insgesamt konnten die während des Workshops gezeigten Lackieraufgaben die Funktionsfähigkeit des Konzeptes auf eindrückliche Art und Weise bestätigen. 

Retrofit bedeutet mehr als Robotermontage

Ein besonders wichtiger Punkt der Workshops betrifft die Integration in bestehende Lackieranlagen. Denn Sehon bietet die Robotik nicht ausschließlich als Bestandteil einer komplett neuen Lackierkabine an. Auch Bestandsanlagen können – nach technischer Prüfung – entsprechend modernisiert werden.

Das ist deshalb von Bedeutung, weil es nicht zulässig ist, einen Roboter in eine beliebige existierende Kabine zu montieren. Nur weil die Einzelkomponenten CE-klassifiziert sind, ist es grundfalsch, auf eine CE-Konformität des Gesamtsystems zu schließen. Roboter, Kabinensteuerung, Lüftung, Zugangssicherung, Not-Halt-Funktionen und Explosionsschutz greifen im Betrieb unmittelbar ineinander. Der Roboter muss Betriebszustände bei der Kabine anfordern, Sicherheitsfreigaben müssen miteinander kommunizieren und Störungen müssen das Gesamtsystem in einen sicheren Zustand versetzen. Diese Interaktion muss zuverlässig gewährleistet werden.

Sehon betrachtet die Kombination deshalb als integrierte Gesamtanlage. Bei einem entsprechenden Retrofit übernimmt das Unternehmen nicht nur den mechanischen und steuerungstechnischen Umbau, sondern auch die erforderliche Risikobeurteilung, sicherheitstechnische Integration und Konformitätsbewertung des Gesamtsystems einschließlich der entsprechenden CE-Dokumentation.

Gerade dieser Punkt dürfte für Anwender erheblich wichtiger sein, als es auf den ersten Blick erscheint. Wer eine vorhandene Lackieranlage durch Robotik und neue Steuerungsfunktionen wesentlich erweitert, muss sich zwangsläufig mit der Konformität des daraus entstehenden Gesamtsystems auseinandersetzen. Für einen normalen 
Lackierbetrieb ist eine solche Bewertung kaum nebenbei zu leisten. Sie verlangt detaillierte Kenntnisse des Maschinenrechts ebenso wie der vorhandenen Anlage und ihrer technischen Dokumentation. Indem Sehon diesen Teil der Integration übernimmt, erhält der Kunde faktisch ein Komplettpaket aus Robotik, Kabinentechnik, Steuerung und Sicherheit. 

Automatisierung verändert auch die Energiebilanz

Auch energetisch ergeben sich aus der Robotisierung interessante Nebeneffekte. Während des automatischen Lackiervorgangs darf sich kein Mitarbeiter in der Kabine aufhalten, wodurch konsequent Umluftkonzepte zum Zuge kommen können. Sehon kombinierte die Vorführung deshalb mit seinem Energie- und Aggregatekonzept. Im Trainingscenter wurde ein hoher Umluftanteil gefahren; für das eingesetzte Wärmerückgewinnungssystem mit einem Wärmetauscherrad nennt das Unternehmen einen Rückgewinnungsgrad von nahezu 80 Prozent der Wärme- beziehungsweise Kälteleistung.

PV, Wärmepumpe, Wärmerückgewinnung und variable Frisch-/Umluftanteile werden dabei nicht als voneinander unabhängige Komponenten betrachtet, sondern als Teil eines Gesamtsystems. Gerade angesichts steigender Energiepreise und zunehmend notwendiger Kühlung von Lackieranlagen im Sommer gewinnt dieser Aspekt zusätzlich an Bedeutung.
Robotisierung ermöglicht also zugleich eine andere Betriebsweise der gesamten Lackierkabine und dadurch erhebliche Betriebskosteneinsparungen.
Ein vielversprechender Markt könnte in der Industrie liegen

So überzeugend der Ansatz für größere Karosserie- und Lackierbetriebe ist, könnte das System auch außerhalb des Reparaturmarktes Anklang finden. Denn die zugrundeliegende technologische Herausforderung ist keineswegs auf Fahrzeuge beschränkt. Auch industrielle Lackierbetriebe kennen wechselnde Werkstücke, kleine Serien, komplexe Geometrien und einen hohen manuellen Lackieranteil. Maschinenverkleidungen, Sonderbauteile, Gehäuse, Komponenten des Maschinen- und Anlagenbaus oder individuell gefertigte Produkte werden häufig deshalb von Hand beschichtet, weil sich die Programmierung eines Roboters bei wenigen Teilen wirtschaftlich nicht lohnt. Genau diese Grenze könnte sich durch scanbasierte Bahnplanung verschieben.

Für das Robotersystem ist es unerheblich, ob der Scanner einen Stoßfänger oder eine Maschinenverkleidung erfasst. Entscheidend sind Geometrie, Zugänglichkeit und die hinterlegten Applikationsparameter. Werden daraus automatisch verwendbare Roboterbahnen erzeugt, fällt einer der größten Kostenblöcke der klassischen Kleinserienautomation weg: das wiederholte Programmieren und Einrichten. Damit entsteht eine völlig neue Perspektive für Losgröße 1 und kleine Serien.

Hinzu kommt die Skalierbarkeit des Schienenprinzips. Der Arbeitsraum lässt sich konstruktiv an größere Anlagen und Bauteile anpassen. Der Roboter ist nicht auf den Radius eines stationären Sockels beschränkt, sondern kann entlang der Anlage verfahren. Für lange Maschinenbauteile, Nutzfahrzeuge oder andere großflächige Produkte ist gerade diese Eigenschaft interessant.

Eine bisherige Automatisierungsgrenze fällt

Aus einer zunächst für die Fahrzeugreparatur entwickelten Technologie könnte deshalb eine Automatisierungsplattform für deutlich breitere Bereiche der industriellen Lackiertechnik entstehen.
Der Workshop in Gechingen zeigte vor allem eines: Bei der Roboterlackierung von Losgröße 1 geht es nicht mehr nur um theoretische Zukunftsszenarien.

Das System scannt reale Bauteile, erzeugt daraus Bearbeitungsbahnen, wechselt Werkzeuge und Lackierpistolen, bearbeitet Kanten und kann bereits anspruchsvolle Lackierstrategien bis hin zur Beilackierung umsetzen. Gleichzeitig werden Robotik, Lackierkabine, Explosionsschutz, Steuerung und CE-Konformität zu einem Gesamtsystem integriert.

Bislang lautete eine einfache Regel: Je kleiner die Stückzahl und je größer die Variantenvielfalt, desto eher gewinnt die Handlackierung. Das Konzept AI-Revolution zeigt, dass diese Regel künftig nicht mehr zwangsläufig gelten muss.

CB

SEHON innovative 
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