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EE-Kolleg
Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik?
Alois Mahr
Leiter Process Engineering
Zollner Elektronik AG
Agenda
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 2 •
Produkt / Anforderungen
Schraubtechnik /-verfahren
Schraubsystem
Prozessüberwachung
Qualitätssicherung
Fazit
Agenda
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 3 •
Produkt / Anforderungen
Schraubtechnik /-verfahren
Schraubsystem
Prozessüberwachung
Qualitätssicherung
Fazit
Produkt / Anforderungen
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 4 •
Leistungselektronik
BMW i3 / i8
Kritische Komponenten
Kühlkreisläufe
Elektronische Baugruppen
Schnittstellen
Dichtungen
Gehäuse
Produkt / Anforderungen
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 5 •
Schraubprozess
Leistungs-
elektronik
DMAIC DFSS
Kundenanforderung
Produktanforderung
Teileanforderung
Prozessablauf
Prozessparameter
DOE
QFD
technische
Kenngröße
Produkt / Anforderungen
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 6 •
Anforderung an die
Dichtigkeit Anforderungen an TecSa
Produktion in einem
Sauberraum
(Sauberkeitsstufe 2
nach VDA Band 19.2)
Kritische Partikelgröße
200 µm für leitfähige
und nicht leitfähige
Partikel
Schutzart IP 6K9K nach DIN 40 050 Teil 9:
6K = Staubdicht, vollständiger Schutz gegen Berührung
9K = Schutz gegen Wasser bei Hochdruck- / Dampfstrahlreinigung, spezifisch für Straßenfahrzeuge
Produkt / Anforderungen
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Mechanische Bauteile
(Kunststoff und Metall)
Elektronische
Baugruppen
Stromanbindungen
(Kabelschuhe,
Stromschienen)
Über 200 Schraubstellen verschiedener Art
Produkt / Anforderungen
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 8 •
Kategorie A-Verschraubungen nach VDI 2862:
Gefahr für Leib & Leben
Aktive Überwachung des Schraubvorgangs gefordert
Drehmoment-
überwachung
Drehwinkel-
überwachung
Eine
Kontrollgröße
gemessen Mind. eine
Steuergröße
direkt gemessen
Automatisierbarkeit
Produkt / Anforderungen
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Aufgrund der Anforderungen ist es umso wichtiger bereits bei der
Produktgestaltung auf die Anordnung, Erreichbarkeit und
Ausprägung der Schraubstellen zu achten
Produktionskosten Qualität (proaktive
Fehlervermeidung
Einfluss auf:
Produkt / Anforderungen
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Schraubfall 1: Einbau Modul
Verschrauben einer Aluminiumträgerplatte
Dichtschnur zur Abdichtung des Kühlwasserkreislaufs
Produkt / Anforderungen
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Schraubfall 2: Einbau Flachbaugruppe
Verschrauben einer bestückten Leiterplatte
Produkt / Anforderungen
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 12 •
Schraubfall 3: Stromanbindungen
Verschrauben von Stromschienen
Agenda
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 13 •
Produkt / Anforderungen
Schraubtechnik /-verfahren
Schraubsystem
Prozessüberwachung
Qualitätssicherung
Fazit
Schraubtechnik
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 14 •
Reibwertverfahren
Beim Reibwertverfahren wird das Drehmoment zur Überwindung der
Reibung kurz vor Kopfauflage gemessen und zum benötigten
Anziehdrehmoment addiert.
Aktive Überwachung bei Kategorie A Verschraubungen notwendig
Direkte Messung des Drehmoments über Kraftmessdose
Zusätzliche Kontrolle durch Messung des Drehwinkels
Schraubtechnik
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 15 •
Aufteilung des Drehmoments
20-70%
5-10%
30-60% Unterkopfreibung Gewindereibung V
ors
pan
nkra
ft
100%
Drehmoment
Schraubtechnik
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 16 •
Schwell-
moment
Startwinkel Winkelüberwachung
Reibwert-
messung Kopfauflage
Drehzahl-
umschaltung
Schraubtechnik
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 17 •
Schrauber Kat. A mit MWA Schrauber Kat. B
Genauigkeit 5% bei Cmk von 1,67 10% bei Cmk von 1,67
Messung Messwertaufnehmer (MWA)/
Stromaufnahme und
Drehwinkelüberwachung
Stromaufnahme und
Drehwinkelüberwachung
Schnittstelle Profibus, E/As Ethernet, E/As
Schraubprogramme 32 16
Schraubdaten ca. 1200 Werte letzte 7 Tage
Gewicht Schrauber 1,85 kg 0,58kg
Reibwertprogramm Firmenlizenz vorhanden Firmenlizenz vorhanden
Schraubtechnik
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 18 •
Verwendung selbstfurchender Schrauben
Möglichst enge Toleranzen für Schrauben und Bohrungen um die Streuung des Furchmoments zu minimieren
Die Art und Beschaffenheit der Schraube hat wesentlichen Einfluss auf die verschiedenen Reibwerte (z.B. Beschichtung, Länge, Durchmesser)
Agenda
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 19 •
Produkt / Anforderungen
Schraubtechnik /-verfahren
Schraubsystem
Prozessüberwachung
Qualitätssicherung
Fazit
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 20 •
Zur Realisierung der genannten
Anforderungen ist ein komplexes
Schraubsystem inklusive
abgestimmter Software notwendig
Schraubsystem
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Hubförderer
Verriegelter Schraubenbunker zur Verhinderung von falscher Befüllung
Bewegungsarmer Schwertförderer zur Minimierung des Partikelabriebs
Absaugung der Schrauben zur Realisierung der Technischen Sauberkeit
Bandbunker
Schraubsystem
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Einzelschraubsystem
Die im Hubförderer vereinzelte
Schraube wird direkt in das Mundstück
des Schraubers zugeführt.
Wiederholte Absaugung der Schraube
zur Realisierung der Technischen
Sauberkeit
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 23 •
Multischraubsystem
Die im Hubförderer
vereinzelte Schraube wird in
ein Picknest gefördert.
Wiederholte Absaugung der
Schraube
Ermöglicht verschiedene
Schrauben an einem
Arbeitsplatz
Schraube wird mit einem
Vakuumbit gehalten
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 24 •
Picknest
Multischraubsystem
Zuführung Schrauben
Einzelschraubsystem
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 25 •
Bitaufnahme beim
Multischraubsystem
Zur Handhabung mehrerer
Schrauben am gleichen
Arbeitsplatz ist ein Bitwechsel
notwendig.
Die verschiedenen Bits werden
in einer entsprechenden
Aufnahme bereitgestellt
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 26 •
Partikelfilter
Filterung / Absaugung
Zur Sicherstellung der
Technischen Sauberkeit wird
die Schraube sowohl am
Hubförderer als auch am
Schrauber bzw. am Picknest
abgesaugt.
Die Filter können mit
minimalem Aufwand kontrolliert
und getauscht werden.
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 27 •
Sauberkeit der Schrauben bei der
Anlieferung
Die Schrauben werden in
vakuumierten Beuteln angeliefert um
den Partikelabrieb beim Transport zu
minimieren.
Die Beutel werden erst beim Befüllen
der Schraubenbunker geöffnet.
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 28 •
Portalsystem
Zur Positionsbestimmung des
Schraubers ist ein Portalsystem
mit Inkrementalgeber notwendig.
Zuordnung der Schrauberdaten zur
jeweiligen Schraube
Sicherstellen der richtigen
Schraubposition (Freigabe des
Schraubers)
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 29 •
Werkerführung
Jeder Arbeitsplatz verfügt über einen Monitor mit Touchfunktion
um den Werker aktiv zu unterstützen
Werkerführung
Anzeige von:
1. Fertigungsversion
2. Arbeitsschritte
3. Arbeitsanweisung
4. Schraubpunkte
(Grafik der Baugruppe)
5. Statusanzeige (Störungen)
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 30 •
Schraubsystem
Absicherung:
Schraubreihenfolge
Automatische Wahl des
Schraubprogramms
Optimierte
Schraubreihenfolge zur
Minimierung der
mechanischen Belastung
Schraube 1-8 P2
Förderer F1
Tool T1
Programm Schrauber
Förderer
Lage Tool in Tooolbox
Bezeichnung
Schraube
Schraub-
reihenfolge
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 31 •
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 32 •
Absicherung Pick to Light
Zur Vermeidung von Verwechslungen
Beim Picknest MSS
Auswahl der richtigen Schraube
Beim Bitwechsel
Auswahl des richtigen Bits
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 33 •
Absicherung: Schraubschablonen
Verhinderung von Beschädigung
oder Vorschädigung der
Baugruppen
Klar erkennbare Schraubpunkte
Positionierhilfe
Absicherung: Vakuumhülse
Halten der Schraube über Vakuum
Geringe Beschädigungsgefahr der Baugruppe, da
sich die Schraube bei stärkerem Kontakt löst
Fehlermeldung bei Verlust der Schraube
(Überwachung des Vakuums)
Schraubsystem
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 34 •
Agenda
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 35 •
Produkt / Anforderungen
Schraubtechnik /-verfahren
Schraubsystem
Prozessüberwachung
Qualitätssicherung
Fazit
Prozessüberwachung
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 36 •
Prozessdatenerfassung
Anbindung ans MES-System
Erfassung für jede Schraube von
Des Drehmoments
Des Drehwinkels
Der Einschraubposition
Der Uhrzeit
Des Schraubergebnises (OK / NOK)
Prozessüberwachung
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 37 •
Systemlandschaft
SHOP-FLOOR
SAP
Sta
mm
date
n / A
uftra
gsdate
n
Pro
du
ktio
nsrü
ckm
eld
un
ge
n
Prozessüberwachung
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 38 •
Erfassung Drehwinkel
Dre
hw
inke
l
Anzahl Verschraubungen
Agenda
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 39 •
Produkt / Anforderungen
Schraubtechnik /-verfahren
Schraubsystem
Prozessüberwachung
Qualitätssicherung
Fazit
Die intelligente Auswertung der gesammelten Daten ist
Grundlage zur gezielten Prozessoptimierung.
Qualitätssicherung
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 40 •
Prozessüberwachung
Aufbereiten der erfassten Daten
Online-monitoring
Untersuchungen zur Prozessfähigkeit
Aufbau von Regelkreisen
Umsetzung der Ergebnisse durch Optimierung der Schrauber und
Schraubprogramme
Datenaufbereitung
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 41 •
Datenaufbereitungssoftware als Grundlage zur Analyse
Extrahieren der einzelnen Daten
Automatische Aufbereitung und Formatierung der Daten
Datenauswertung
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 42 •
Beispiel:
Fehlerhafte
Verschraubungen
Überproportionaler
Anstieg der
Fehleranzahl
gemessen an der
Anzahl der
Verschraubungen
Datenauswertung
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 43 •
Thema Big Data Analysis
Die Verknüpfung und intelligente Auswertung der Daten ist der
entscheidende Faktor, ob eine Prozessdatenüberwachung ein reaktives
Qualitätswerkzeug ist, oder zum unverzichtbaren Inputgeber für
Produkt- und Prozessentwicklung wird.
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 44 •
Verbesserungsaktionen:
Umstellung der Schrauber von Hebel- auf Schubstart (Reduzierung der
Timeoutfehler)
Weitere Optimierung der Schraubprogramme
Verbesserungen aus dem Projekt:
Schaffung Konvertierungstool
Automatische Programmauswahl (aktuell keine Fehler mehr, die
durch die Auswahl eines falschen Schraubprogramms verursacht
werden.
Klassifizierung der Hauptfehlerarten
Überwachung in Echtzeit
Schraubdaten - Verbesserungen
Agenda
09.02.2016 • Alois Mahr • Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik? 45 •
Produkt / Anforderungen
Schraubtechnik /-verfahren
Schraubsystem
Prozessüberwachung
Qualitätssicherung
Fazit
Fazit
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Simultaneous Engineering !
Produkt- und Prozessentwicklung “Hand in Hand” sichern eine optimale und nachhaltige Serienproduktion !
Prozess-entwicklung
Anforderungs-
management
Produkt-
entwicklung
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Alois Mahr
Leiter Elektronik Pocess Engineering / EE Tel.: +49 9944 201-588
Director Process Engineering Electronics Fax: +49 9944 201-9343
Vielen Dank für Ihr Interesse an der Zollner Unternehmensgruppe.