Automatisierung des Nietprozesses

Ein Leiterhersteller verwendet eine kundenspezifische hydraulische Nietmaschine mit vier Köpfen, die gleichzeitig vier Nieten mit einem Durchmesser von 0,1875 Zoll setzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von National Rivet & Manufacturing Co.

Das Orbitalformen von Nieten oder Rohrteilen mit großem Durchmesser erfordert manchmal eine spezielle Drei-Rollen-Kopfbaugruppe anstelle einer Kugel. Foto mit freundlicher Genehmigung von ECI Spinnomatic LLC

Ende 2013 installierte ein Hersteller von Solarmodulen zwei maßgeschneiderte GB8000-Autofeeder, um die Produktion von Modulrahmen zu beschleunigen. Das Gerät führt dem Nietwerkzeug automatisch Nieten zu. Foto mit freundlicher Genehmigung von Gage Bilt Inc.

Dieser pneumatische M-500-Kraftkopf ist in ein vollautomatisches Orbitalnietsystem integriert. Foto mit freundlicher Genehmigung von Orbitform

Das Herzstück dieser Arbeitszelle ist die Prozesssteuerung HPP25, die eine gleichmäßige Nietung auch bei unterschiedlicher Härte der Nieten gewährleistet. Foto mit freundlicher Genehmigung von BalTec Corp.

Während des Zweiten Weltkriegs hat Rosie the Riveter mehr als nur amerikanische Frauen dazu inspiriert, die Kriegsanstrengungen durch den Eintritt in die Arbeitswelt zu unterstützen. Sie machte das Land auch darauf aufmerksam, wie wichtig das manuelle Nieten für den Aufbau einer starken Armee und den Sieg im Zweiten Weltkrieg ist. Heutzutage sind sich Hersteller wie Airbus gleichermaßen der Bedeutung des halb- und vollautomatischen Nietens für die Herstellung hochwertiger Produkte und die Optimierung der Produktion bewusst.

Airbus fertigt seit 1997 in seinem Montagewerk in Broughton, Großbritannien, die Flügelteile für die A320-Flugzeugfamilie. Die Teile werden in Arbeitszellen mit elektromagnetischen Niederspannungsnietmaschinen (LVER) zusammengebaut.

Jede Arbeitszelle besteht aus einer Maschine und zwei Flügelplattenvorrichtungen. Die von Electroimpact hergestellte Maschine installiert Blindnieten, Stumpf-Sicherungsbolzen, LGP-Manschetten (Lightweight Groove Proportioned) und provisorische Bolzen mit bündigem Kopf in der Oberseite der Flügelplatten. Die Maschine verfügt über separate Befestigungsköpfe für die Haut- und Stringerseite des Flügelpaneels, das in der Halterung vertikal ausgerichtet ist.

Zu Beginn des Prozesses klemmen die Befestigungsköpfe die Plattenbaugruppe mit einer Kraft von bis zu 2.000 Pfund fest, um eine Trennung der Komponenten und Schnittstellengrate zu verhindern. Dann bohrt ein Wechseltisch mit einer Spindel das Nietloch und ein Niet wird durch das Rohr zum elektromagnetischen Nietgerät geführt.

Der Wechseltisch führt den Niet in das Loch ein und misst seinen Überstand. Bei Falschheit wird die Niete entfernt. Wenn dies korrekt ist, wird der Niet vom Nietgerät geformt und der Wechseltisch fräst den Nietkopf auf die richtige Höhe (bündig auf +0,002 Zoll). Abschließend lösen sich die Schraubköpfe und die Maschine fährt zur nächsten Schraubstelle.

Für Airbus und andere Luft- und Raumfahrtunternehmen sind Maschinen wie die LVER unverzichtbar. Allerdings müssen Hersteller, die nicht in der Luft- und Raumfahrtbranche tätig sind, keine so großen Investitionen in die Ausrüstung tätigen, um die Vorteile des halb- oder vollautomatischen Nietens nutzen zu können. Ob Blindnieten in Kochgeschirr oder Vollnieten in Möbelbauteilen: Monteure haben zahlreiche Möglichkeiten, den Prozess zu automatisieren.

Sowohl die Automobil- als auch die Luft- und Raumfahrtindustrie waren die ersten Anwender der automatischen Niettechnologie.

Fran Cyr, Präsidentin und Schatzmeisterin von National Rivet & Manufacturing Co., sagt, das Unternehmen habe bereits Anfang der 1940er Jahre eine halbautomatische Nietmaschine eingeführt. Die Maschine wird seit langem sowohl von Luft- und Raumfahrt- als auch von Automobilherstellern eingesetzt.

„Seine grundlegende Funktionsweise hat sich in mehr als 70 Jahren kaum verändert“, bemerkt Cyr. „Der Bediener lädt die Montageteile und aktiviert die Maschine entweder per Knopfdruck oder über einen Fußschalter. Das Nieten dauert eine Drittelsekunde und der Arbeiter entnimmt das fertige Teil.“

Von Mitte der 1940er bis Ende der 1960er Jahre blieb der Einsatz halbautomatischer Nieten in der Automobilindustrie minimal, hauptsächlich für Türscharniere und Verriegelungsbaugruppen. Mit der Einführung von Robotern in Fabriken in den frühen 1970er Jahren, um mit der Produktion Schritt zu halten, nahm sie etwas zu. Doch die eigentliche Wachstumsphase – einschließlich des Einsatzes vollautomatischer Nieten – begann Mitte der 1980er Jahre.

Rund 30 Jahre später setzen Automobilhersteller bei der Montage von Sitzkomponenten, Bremsbacken und -belägen, Türscharnieren sowie Boden- und Motorhaubenverriegelungen auf halb- oder vollautomatische Nieten. Zu den komplexeren Produkten gehören Getriebeträger, Tür- und Motorhaubenschließer (Verbindung des Schließdrahts mit einer Gegenplatte), Drehmomentwandler und Kugelzapfen (Verbindung des Kugelzapfens mit einer Gegenplatte).

„Der enorme Boom der Automobilindustrie Mitte der 1990er Jahre erforderte unbedingt eine Automatisierung ihrer Nietprozesse“, sagt Chuck Rupprecht, Vizepräsident und Geschäftsführer der BalTec Corp. „Oft kann das Nieten einfacher Teile wie eines Zigarettenanzünders vollständig automatisiert werden.“ Spezialisierte Baugruppen wie Sitzmechanismen und Verriegelungsmechanismen für Türen stellen beim vollautomatischen Nieten eine größere Herausforderung dar. Viele dieser Teile bewegen sich auf Förderbändern oder Indexierern, wo an einer der Stationen genietet wird und die Montagefunktionen oft an anderen Stationen erledigt werden.“

In den frühen 1990er-Jahren setzte sich das automatisierte Nieten in der Luft- und Raumfahrtindustrie durch. Seitdem haben die Hersteller ihre Nietprozesse beim Zusammenbau der Rumpf- und Flügelteile zunehmend automatisiert.

Im vergangenen Juli führte Boeing einen automatisierten Bohr- und Nietprozess für den Rumpf der 777 ein. Das Unternehmen geht davon aus, dass dieser Prozess die Montagezeit um fast die Hälfte verkürzen wird. Airbus hat in den letzten Jahren mehr als 3.000 Blindnieten in jedem Flügel des A330-Flugzeugs von Robotern anbringen lassen.

Der Wechsel vom manuellen zum automatisierten Nieten stellt Hersteller oft vor mehrere Herausforderungen. Laut Kyle Lang, Vertriebsleiter von Gage Bilt Inc., sind zwei der häufigsten Probleme die Aufrechterhaltung eines ausreichend hohen Produktionsniveaus und die Bereitstellung ausreichender Stellfläche am Fließband für die Ausrüstung. Unternehmen müssen auch realistisch sein, was den ROI ihrer Ausrüstung angeht. Manchmal kann es einige Jahre statt mehrerer Monate dauern, bis sich die Maschinen amortisiert haben.

„Wenn ein Hersteller vom vollmanuellen auf das vollautomatische Nieten umstellt, stellt die Teilebefestigung oft eine größere Herausforderung dar als das eigentliche Nieten“, sagt Rupprecht. „Beim manuellen Verfahren spannte der Bediener die Teile ein, platzierte die Niete und schmierte die Niete oder die Teileanordnung vor dem Formen möglicherweise sogar ein wenig. Jetzt muss das vollautomatische System alle diese Prozessschritte erledigen.“

Noch in diesem Monat plant BalTec, die Installation eines halbautomatischen Nietsystems mit sechs Stationen für einen Tier-1-Lieferanten einer LKW-Getriebekomponente abzuschließen. Bei der Komponente handelt es sich um einen Metallring, der die Kraftstoffeffizienz und die Schaltfreundlichkeit verbessert. Laut Rupprecht ersetzt das System drei manuelle Stationen mit nur einem Bediener.

Bisher positionierte der Bediener drei Stifte in einer Vorrichtung, montierte das Bauteil auf den Stiften und aktivierte eine pneumatische Presse, um die Stifte bis zu einer voreingestellten Tiefe einzudrücken. Das Bauteil wurde dann auf einer Indexiermaschine montiert, dreimal unter einem Radialnietgerät (das jeden Stift formt) indexiert und vom Bediener entfernt.

Mit dem neuen System lädt der Bediener weiterhin die Stifte und Komponenten vor dem Nieten und entnimmt die fertige Baugruppe. BalTec hat jedoch alle Press- und Nietfunktionen automatisiert und ein Bildverarbeitungssystem zur Teileüberprüfung eingebaut. Die Zykluszeit beträgt etwa 45 Sekunden und das System läuft in zwei 8-Stunden-Schichten an fünf Tagen in der Woche.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, von einer Einzelnietmaschine auf eine Maschine umzusteigen, die mehrere Nieten anbringt, um die Produktivität zu steigern. Bob Wood, Präsident von ECI Spinnomatic LLC, sagt, dass ein Tier-1-Anbieter von Feststellbremshebeln den Wechsel vor einigen Jahren erfolgreich durchgeführt hat. Das Unternehmen verwendet eine Orbitalnietmaschine mit drei Spindelköpfen, um drei Nieten an einem Teil zu formen, statt drei Maschinen, die jeweils eine Niete formen. Wood sagt, das Unternehmen habe die beiden anderen Maschinen zum Nieten anderer Teile umgerüstet.

Die Teilegeometrie muss sorgfältig geprüft werden, bevor auf automatisiertes Nieten umgestellt wird, betont Bryan Wright, Vizepräsident für Vertrieb bei Orbitform. Er sagt, Hersteller müssen sich fragen: Wie einfach lässt sich das Teil automatisch laden und entladen? Bei hochvolumigen Vorgängen können Beladungsprobleme zu einer Verlängerung der Zykluszeit führen.

„Das Nieten verschiedener Arten von Teilen auf derselben automatisierten Maschine kann zu Qualitätsproblemen führen, wenn es keinen Mechanismus gibt, der richtig erkennt, welches Teil genietet wird“, bemerkt Wright. „Eine Möglichkeit, Probleme zu vermeiden, besteht darin, ein RFID-Tag-System an den Vorrichtungen zu verwenden, an denen die Teile sitzen.“

Nicht nur Automobil- und Luft- und Raumfahrthersteller profitieren vom automatisierten Nieten. Auch Hersteller medizinischer Geräte nutzen die Technologie.

Hersteller von chirurgischen Scheren, Klemmen, Implantaten und endoskopischen Instrumenten verwenden häufig die Servoversion der Orbitform-Antriebsköpfe in vollautomatischen Nietsystemen zur Gewährleistung der Reinraumkonformität. Dieser Kraftkopf verfügt über eine Technologie, die es ihm ermöglicht, die Nietlänge zu bestimmen und kontinuierlich seine Position relativ zum Niet zu überwachen, was zu einer sehr präzisen Formung von Nietköpfen mit einem Durchmesser von bis zu 0,75 Zoll führt. Eine pneumatische Version des Antriebskopfes ist ebenfalls erhältlich.

Die Servoversion des M-500-Antriebskopfs bietet eine maximale Abwärtskraft von 10.000 Pfund bei 100 psi, während die pneumatische Version 4.400 Pfund bei 100 psi bietet. Beide Modelle verfügen über einen maximalen Hub von 2,5 Zoll, der manuell am Antriebskopf eingestellt werden kann.

Die Prozessüberwachung eines automatisierten Systems gewährleistet eine gleichmäßige Nietung, selbst wenn die Nieten unterschiedliche Härten aufweisen – was häufig vorkommt, da es sich um Millionen von Nieten handelt. Die Prozesssteuerung HPP25 von BalTec verbessert zudem die Wirtschaftlichkeit beim Nieten und Zusammenbauen von Teilen.

Laut Rupprecht erkennt die Steuerung bereits nach 2 Millimetern Formwerkzeugweg den Beginn des Nietvorgangs, wodurch eine Druck- oder Geschwindigkeitsreduzierung während des Nietvorgangs entfällt. Es bietet 39 Nietmodi und sechs Steuerparameter: Formweg, Nietzeit, Nietkraft, Spindelabstand, Außenkontakt und Nietkopfhöhe. Alle Nietdaten werden als Kurven in einem Diagramm dargestellt und können über USB- und Ethernet-Schnittstellen exportiert und importiert werden.

Manchmal wird automatisiertes Orbitalnieten verwendet, um Nieten oder rohrförmige Teile mit großem Durchmesser zu formen, bemerkt Wood. Für diese Anwendungen ist anstelle einer Kugel eine spezielle Drei-Rollen-Kopfbaugruppe zur Formung des Teils erforderlich.

Seit 2012 verwendet ein Tier-1-Zulieferer ein kundenspezifisches Orbitalnietsystem von ECI, um ein rohrförmiges Teil zu formen. Die Rollenkopfbaugruppe des halbautomatischen Systems formt den Innendurchmesser des Rohrs und anschließend den Außendurchmesser des Rohrs. In einem separaten Prozess wird ein Kunststoffclip in das Rohr eingerastet. Der Clip verfügt über zwei Drähte, die an den Zünder eines Sicherheitsgurtstraffers angeschlossen werden.

Zuvor formte der Kunde den Außendurchmesser des Rohrs mit bereits eingerastetem Kunststoffverbinder. Dieser Vorgang war nicht wiederholbar, oft wurde der Clip zerdrückt und die endgültige Form des Rohrs verändert, was dazu führte, dass es außerhalb der Toleranz lag.

Zu den zahlreichen Werkzeugen, die Gage Bilt anbietet, gehört das GB8000, eine automatisierte Einheit, die von Herstellern im kommerziellen und Luft- und Raumfahrtbereich zum Zuführen und Installieren einer Vielzahl von strukturellen und nichtstrukturellen Blindnieten verwendet wird. Es sind Inline- und Pistolengriff-Modelle erhältlich und verfügen über eine Schüsselzuführung, die 200 bis 300 Nieten fasst. Die Programmierung der wartungsarmen Maschine erfolgt anhand der Spezifikationen des zu verarbeitenden Blindniets.

Ende 2013 installierte ein Hersteller von Solarmodulen zwei maßgeschneiderte GB8000, um die Produktion seiner Modulrahmen zu beschleunigen. Abhängig von der Leistung des Bedieners setzen die Einheiten alle drei bis fünf Sekunden einen 0,25 Zoll dicken, hochfesten Strukturblindniet ein. Laut Lang wurde die Zykluszeit des Herstellers halbiert.

Auch ein Leiterhersteller hat vom automatischen Nieten profitiert. National Rivet hat kürzlich eine kundenspezifische hydraulische Nietmaschine mit vier Köpfen gebaut, die gleichzeitig vier Nieten mit einem Durchmesser von 0,1875 Zoll setzt. Es gewährleistet außerdem eine konsistente und genaue Teileproduktion, sagt Cyr.

National Rivet hat sein größtes und leistungsstärkstes Nietgerät, das Modell 3160, um vier Trichter, Vorschubmechanismen, Ambosse und Treiber erweitert. Die Maschine verfügt außerdem über einen maßgeschneiderten Arm, der sich an die ungewöhnliche Form der Aluminiumsprosse der Leiter anpasst.

„Durch das gleichzeitige Setzen von vier Nieten erhält der Kunde ein besser aussehendes Produkt mit höherer Qualität zu geringeren Kosten“, bemerkt Kevin Klapperich, Maschinenbereichsleiter bei National Rivet. „Was kann man nicht mögen?“

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.