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Forschung und Praxis
Band 140
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik
und Automatisierung (I PA) , Stuttgart,
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft
und Organisation (IAO), Stuttgart, und
Institut für Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart
Herausgeber: H J. Warnecke und H-J. Bullinger
Konrad A. Ortlieb
Automatisiertes Lackieren
mit steuerbaren
Spritzpistolen
Mit 45 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New Vork
London Paris Tokyo Hong Kong 1989
Oipl.-Ing. Konrad A. Ortlieb
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Or.-Ing. Or. h. c. Or.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der Universität Stuttgart
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Or.-Ing. habil. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universität Stuttgart
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-51518-0 e-ISBN-13: 978-3-642-83884-2
001: 10.1007/978-3-642-83884-2
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Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim
2362/3020-543210
Geleitwort der Herausgeber
Futuristische Bilder werden heute entworfen:
o Roboter bauen Roboter,
o Breitbandinformationssysteme transferieren riesige Datenmengen in
Sekunden um die ganze Welt.
Von der "manschenleeren Fabrik" wird da gesprochen und vom "papierlo
sen Büro". Wörtlich genornnen muß man beides als Utopie bezeichnen,
aber der Entwicklungstrend geht sicher zur "automatischen Fertigung"
und zum "rechnerunterstützten Büro". Forschung bedarf der Perspektive,
Forschung benötigt aber auch die Rückkopplung zur Praxis - insbeson
dere im Bereich der Produktionstechnik und der Arbeitswissenschaft.
Für eine Industriegesellschaft hat die Produktionstechnik eine Schlüs
selstellung. Mechanisierung und Autanatisierung haben es uns in den
letzten Jahren erlaubt, die Produktivität unserer Wirtschaft ständig
zu verbessem. In der Vergangenheit stand dabei die Leistungssteigerung
einzelner Maschinen und Verfahren im Vordergrund. Heute wissen wir, daß
wir das Zusammenspiel der verschiedenen Untemehmensbereiche stärker
beachten müssen. In der Fertigung selbst konzipieren wir flexible Fer
tigungssysterre, die viele verkettete Einzelrnaschinen beinhalten. Dort,
wo es Produkt und Produktionsprograrom zulassen, denken wir intensiv
über die Verknüpfung von Konstruktion, Arbeitsvorbereitung , Fertigung
und Qualitätskantrolle nach. Rechnerunterstützte Informationssysterre
helfen dabei und sollen zum CIM (Conputer Integrated Manufacturing)
führen und CAD (Corrputer Aided Design) und Cl\M (COmputer Aided Manu
facturing) vereinen. Auch die Büroarbeit wird neu durchdacht und mit
Hilfe vemetzter eomputersysterre teilweise automatisiert und mit den
anderen Untemehmansfunktionen verbunden. Infonation ist zu einem
Produktionsfaktor geworden, und die Art und Weise, wie man damit umgeht,
wird mit über den Untemehrrenserfolg entscheiden.
Der Erfolg in unseren Untemehman hängt auch in der Zukunft entschei
dend von den dort arbeitenden Menschen ab. Rationalisierung und Auto
matisierung müssen deshalb im Zusammenhang mit Fragen der Arbeitsgestal
tung betrieben werden, unter BerückSichtigung der Bedürfnisse der Mit
arbeiter und unter Beachtung der erforderlichen Qualifikationen. Inve
stitionen in Maschinen und Anlagen müssen deshalb in der Produktion wie
im Büro durch Investitionen in die Qualifikation der Mitarbeiter be
gleitet werden. Bereits im Planungsstadium müssen Technik, Organisation
und Soziales integrativ betrachtet und mit gleichrangigen Gestaltungs
zielen belegt werden.
Von wissenschaftlicher Seite muß dieses Bemühen durch die Entwicklung
von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Ver
besserung des Systems Produktionsbetrieb einschließlich der erforder
lichen Dienstleistungsfunktionen unterstützt werden. Die Ingenieure
sind hier gefordert, in enger Zusammenarbeit mit anderen Disziplinen,
z. B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswis
senschaft, Lösungen zu erarbeiten, die den veränderten Fandbedingungen
Rechnung tragen.
Beispielhaft sei hier an den großen Bereich der Informationsverarbei
tung im Betrieb erinnert, der von der Angebotserstellung über Konstruk
tion und Arbeitsvorbereitung, bis hin zur Fertigungssteuerung und Quali
tätskontrolle reicht. Beim Materialfluß geht es um die richtige Aus-
wahl und den Einsatz von Fördermitteln sCM'ie Anordnung und Ausstattung
von Lagern. Große Aufnerksarnkeit wird in nächster Zukunft auch der
weiteren Automatisierung der Handhabung von Werkstücken und Werkzeu
gen sowie der M:Jntage von Produkten geschenkt werden.
Von der Forschung muß in diesem Zusamrrenhang ein Beitrag zum Einsatz
fortschrittlicher intelligenter Co:aputersystene erfolgen. Planungs
prozesse müssen durch Softwaresystene unterstützt und Arbeitsbedingun
gen wissenschaftlich analysiert und neu gestaltet werden.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität
Stuttgart (IFF) ,
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) ,
- Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und organisation (IAQ)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den
oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der labors und
die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit
zu Forschungsergebnissen geführt, die für die Praxis von großem
Wert waren. Zur umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriften
reihe "IPA-IAQ - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende
Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht über bisher erschienene
Titel wird am Schluß dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei für die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer
Verlag für die Aufnahne dieser Schriftenreihe in seine Angebotspa
lette und der Druckerei für saubere und zügige Ausführung. Möge das
Buch von der Fachwelt gut aufgenc:mren werden.
H. J. Warnecke • H. -J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit
als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart.
Herrn Professor Dr.-Ing. H.J. Warnecke, dem Leiter des IPA
sowie des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbe
trieb der Universität Stuttgart, danke ich besonders für seine
wohlwollende Unterstützung und Förderung, die zum Erfolg dieser
Arbeit beigetragen haben.
Herrn Professor Dr.rer.nat. L. Dulog, dem Direktor des 11. In
stituts für Technische Chemie der Universität Stuttgart sowie
dem Leiter des Forschungsinstituts für Pigmente und Lacke (FPL)
in Stuttgart, danke ich für seine Bereitschaft zur Durchsicht
des Manuskripts und für die Übernahme des Mitberichts.
Darüberhinaus möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des IPA
bedanken, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Mein
besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. P. Svejda, der durch sei
ne Mithilfe beim Programmieren sowie seiner kritischen Diskus
sionsbereitschaft wertvolle Unterstützung gab. Mein weiterer
Dank gilt Herrn Dr. K. Mertz und Herrn M. Obst für ihre offene
und konstruktive Kritik.
Stuttgart, 1989 Konrad A. Ort lieb
Seite
INHALTSVERZEICHNIS 9
Verwendete Größen, Formelzeichen und Einheiten 12
1 Einführung - 16
Bedeutung des Lackierens als Fertigungsschritt
2 Stand der Technik und Wissenschaft 18
2.1 Entwicklung der Automatisierung in der Lackier 18
technik
2.2 Heutiger Stand der Automatisierung in der Lackier 21
technik
3 Automatisierungskonzepte für die Lackiertechnik 25
3.1 Bewegungstechnische Anforderungen an den Lackier 25
automaten bezogen auf die Werkstückgeometrie des
zu lackierenden Werkstücks
3.2 Automatisierung des Spritzlackiervorgangs durch 25
spritzpistolenseitigeSteuerungstechnik
4 Untersuchungen über das Verhalten der Einstell 28
größen bei Spritzpistolen
4.1 Versuchsaufbau und Parameterfestlegung 28
4.2 Einfluß der Spritzpistolenbauart 36
4.3 Einfluß der spritzpistolenseitigen und spritz 38
technischen Parameter (Spritzpistolenparameter)
4.3.1 Abstand Düse - Werkstück 38
4.3.2 Materialdurchflußmenge 39
4.3.3 ZerstäubungSluftdruck 40
4.3.4 Lenkluftdruck als Verstellgröße der Spritzstrahl 42
form
4.3.5 Elektrostatische Aufladung 43
4.3.6 Abhängigkeiten bei mehreren Spritzpistolenparame 44
tern
4.3.7 Beurteilung der Spritzpistolenparameter 45
4.4 Einfluß verschiedener Lackmaterialien 49
4.5 Einflüsse der Peripherie 52
- 10 -
4.6 BeschichtungsergebnisseausgewählterWerkstück 53
geometrien
4.6.1 Lackierungen ohne Ausgleichsmaßnahmen 53
4.6.2 Lackierungen mit spritzpistolenseitigen Aus 54
gleichs maßnahmen (lineare Spritzpistolenbahn)
4.6.3 Lackierungen mit spritzpistolenseitigen und kine 56
matischen Ausgleichsmaßnahmen der Spritzpistolen
bahn
4.6.4 Auswertung der Beschichtungsergebnisse 60
5 Konstruktive Entwicklungen zur Realisierung der 61
Spritzpistolensteuerung
5.1 Stand der Technik 61
5.2 Lackspritzeinrichtung 63
6 Steuerungsbezogene Integration der Spritzpistolen 68
einstellgrößen für verschiedene Automatisierungs
einrichtungen
6.1 Steuerungen automatischer Lackiereinrichtungen 68
6.2 Programmierung von Beschichtungsrobotern 70
7 Rechnerunterstützte Generierung der Bewegungsbahn 73
anhand der untersuchten SpritzpistolenverhaI tens
weisen
7.1 Betrachtung des Lösungswegs 73
7.2 Beschreibung des Simulationsprogramms 75
7.2.1 Erfassung und Darstellung von Werkstückgeometrien 77
7.2.2 Auswertung der Beschichtungsversuche 82
7.2.2.1 Approximation gegebener Abhängigkeiten 82
7.2.2.2 Aufstellung einer Funktion zur Beschreibung des 87
Lackverhaltens
7.2.2.3 Überprüfung des mathematischen Modells 89
7.3 Berechnung der Schichtdickenverteilung 93
7.4 Berechnung der Bewegungsbahn 100
8 Die weitere Entwicklung zur rechnerunterstützten 103
automatisierten Lackierung
- 11 -
9 Gestaltung der Peripherie bei automatisiertem 106
Lackieren
10 EntscheidungSkriterien für den Einsatz von Auto 111
matisierungseinrichtungen in der Lackiertechnik
11 Zusammenfassung 114
12 Literaturverzeichnis 116
Verwendete Größen, Formelzeichen und Einheiten
Zeichen Einheit Beschreibung
Länge. Fläche. Volumen
sow cm Abstand Düse-Werkstück
SH m Hubweg (einer Bewegungseinrichtung)
Sw m Förderweg leines Werkstücks)
SB cm Beschichtungsbahnbreite
SB1' SB2 cm halbe Überlappung von Beschichtungsbahnen
dL 11m Lackschichtdicke (Trockenfilm)
dL+, dL- 11m maximale, minimale Lackschichtdicke
dm IJ.ID mittlerer Tropfendurchmesser
~ mm Kolbendurchmesser
a mm Stufenhöhe
b mm Sickenbreite
d mm Sickentiefe
c, s mm geradlinige Blechabschnitte
e cm Blechbreite
r cm Bahnradius
xo' Yo m Koordinaten eines Kreismi ttelpunktes
A mm2 freie Düsenfläche eines Zerstäubers
mm2 Kolbenfläche
~
Winkel
a o (Grad) Spritzstrahlwinkel
13 o (Grad) Neigungswinkel zur Spritzbahn
'Y o (Grad) Stufenwinkel
er o (Grad) Drehwinkel eines Körpers im Raum
M g/min Massenstrom
g/min Materialdurchflußmenge (Lackmassenstrom)
g/min Zerstäubungsluftmenge (Luftmassenstrom)
(Nl/min)
