Die ILB Industrielackierung Biedermann beschichtet heute viele Millionen Teile im Jahr, die weltweit zum Einsatz kommen – sowohl via Nasslack als auch mit Pulver.  „Uns war klar, dass nur eine vollständige Automatisierung der Beschichtung die Qualität optimieren kann“, erklärt Firmengründer Bernd Biedermann, „und dazu benötigten wir auch eine erstklassige Qualitätssicherung“. Denn kaum eine Branche stellt so hohe Anforderungen an Oberflächen wie die Automobilhersteller. Hinzu kommt, dass Anbauteile an Autos über lange Zeit extremen Beanspruchungen durch Hitze, Kälte, Nässe, Steinschlag, Salz und UV-Strahlung ausgesetzt sind. Gleichzeitig verbergen die Blech- und Kunststoffteile unter der makellosen Außenhaut komplexe Bauelemente. 

Um sich teure, aufwändige Prozesse wie Überbeschichten, das Entlacken fehlbeschichteter Teile oder eine Entsorgung zu sparen, wird die Schichtdicke direkt nach der Pulverlackapplikation gemessen, noch vor dem Einbrennen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Das Unternehmen kann so die Beschichtungsparameter optimieren, Fehler vermeiden und die Qualität steigern. „Da die Beschichtungsdicke eine funktionskritische Kenngröße ist, müssen alle Arten von Beschichtungsfehlern wie ungleichmäßiger Pulverauftrag, Kratzer, Risse oder eingeschlossene Fremdpartikel zuverlässig erkannt werden”, erklärt Biedermann. 

Ein berührungsloses Schichtdicken­prüfsystem für enge Platzverhältnisse

So sondierte die ILB den Herstellermarkt der Schichtdickenmesssysteme. Damals – im Jahr 2005 – gab es fast ausschließlich Systeme, die auf der Lackschicht aufsetzen. „Wir hätten also erst nach dem Einbrennen messen können, denn erst dann ist der Pulverlack ausgehärtet. Doch die Förderbandstrecke, die unsere eingebrannten Teile zurücklegen, sind lang. Bis eine kontaktbehaftete Messung nach dem Aushärten Ergebnisse liefert, gibt es viel Ausschuss. Wir wollten deshalb unbedingt eine berührungslose Schichtdickenmessung“, erinnert sich Biedermann.

Allerdings bedeuteten die kurzen Takt­zeiten und die sehr beengten Platzverhältnisse bei diesem Projekt ganz besondere Herausforderungen. Bei fast allen Anbietern am Markt waren Sensoren für diese anspruchsvolle Messaufgabe nicht verfügbar. Nach intensiven Recherchen wurde das Unternehmen auf die photothermischen Paintchecker Modelle von Optisense aufmerksam und kam mit dem Hersteller aus Haltern am See ins Gespräch.

Prüfobjekte: 10 mm hohe Kleinteile

„Das war auch für uns eine spannende neue Aufgabenstellung“, schildert Georg Nelke, Geschäftsführer von Optisense. „Wir haben zugesagt, umgehend ein passendes System zu implementieren.“ Doch schon die Konfiguration erwies sich als komplexe Aufgabe. „Es sollten Kleinteile mit Krümmungen geprüft werden, die einen Durchmesser von gerade einmal 20 mm hatten und die lediglich 10 mm hoch waren. Und das innerhalb einer halben Sekunde“, schildert Nelke die Herausforderungen. 
„Zudem stand für unser Messsystem in der Linie kaum Platz zur Verfügung – das machte es zunächst schwierig, eine robuste und zuverlässige Messstation aufzubauen, die noch dazu im Mehrschichtsystem bestehen sollte.“ Nach der Einweisung durch Optisense und mit den Dokumentationen war die Systemumstellung ein angenehmes Hand-in-Hand arbeiten.

Drei Monate bis zur Inbetriebnahme

Biedermann stand damals unter Zeitdruck, weil der Kunde dringend auf die Teile angewiesen war. Von der ersten Kontaktaufnahme bis zur Inbetriebnahme des Schichtdickenmesssystems blieben gerade einmal drei Monate. Deshalb wurden in einem Vor-Ort-Termin unverzüglich die Projektdetails und Datenübergaben abgestimmt.

Um die Zuverlässigkeit des berührungslosen Messsystems zu prüfen, wurde zunächst eine Pilotierung gefahren. „Das System hat uns sofort überzeugt: eine zuverlässige und schnelle Schichtdickenmessung als sicher zu steuernde, automatisierte Lösung“, zeigt sich der ILB-Seniorchef zufrieden. Denn für die Pulverbeschichtung samt Prüfmessung bei Abdeckkappen, wie sie bei Einparkhilfesensoren zum Einsatz kommen, gelten besondere Anforderungen.

Schwierig zu lackieren: Parksensoren

Eine elektronische Einparkhilfe ist heutzutage in nahezu allen Fahrzeugen serienmäßig verbaut. Die PDC-Sensoren (PDC: Park Distance Control) bestehen aus einem Ultraschallwandler und einer Sende- und Auswerteelektronik, die von einer Schutzkappe in Wagenfarbe abgedeckt werden. Dabei kann die Funktion der empfindlichen Parksensoren schon durch kleinste Lackabweichungen eingeschränkt werden.

Der Ultraschallsensor kann nur einwandfrei funktionieren, wenn die Membran aus piezoelektrischer Keramik akustisch vom Sensorgehäuse entkoppelt ist. Wird die zulässige Lackschichtdicke überschritten, ändert sich das Schwingungsverhalten und es werden falsche Signalwerte an die Fahrzeugelektronik weitergeleitet. Dann bekommt der Fahrer entweder zu weite oder zu nahe Abstände gemeldet. Ist der Ultraschallsensor Teil einer Einparkhilfe, kann das fatale Folgen haben. Wie viele PDCs verbaut sind, spielt dabei keine Rolle. Denn ist nur einer beschädigt, funktioniert das ganze System nicht mehr. 

Auch kleine Abweichungen haben also weitreichende Folgen. Alle Automobilhersteller geben daher technische Empfehlungen zur Lackierung der Parksensoren heraus, in denen Lackierbereich, Pulverlackdicke, maximaler Aushärtungstemperatur und vieles mehr festgehalten sind. „Und die gilt es, penibel einzuhalten. Deshalb haben wir einen so hohen Qualitätsanspruch“, erklärt der Seniorchef.

Der Beschichtungsprozess ist vollständig automatisiert

Grob lässt sich der Pulverbeschichtungs­prozess für die Abdeckkappen der PDC-Sensoren in Vorbehandlung, Lackapplikation und Vernetzung gliedern. Alle Prozessschritte sind in der industriellen Produktion durch automatische Fördereinrichtungen und Roboter vernetzt.
Die Teile werden nass-chemisch in einem No-Rinse-Verfahren vorbehandelt. Das ist ein Plus für die Umwelt. Nach der Vorbehandlung werden die Flächen, die keine Beschichtung bekommen dürfen, automatisch partiell maskiert. Dann erfolgt die eigentliche Beschichtung. Beim Beschichtungsprozess ist es entscheidend, die richtige Schicht­dicke zu erreichen. Sobald die Abdeckkappen die Kabine verlassen, wird deshalb bei jeder einzelnen Kappe sofort die Schichtdicke geprüft. „Die Abdeckkappen sieht zu diesem Zeitpunkt immer noch aus wie eingepudert“, beschreibt Biedermann die weiche, empfindliche Pulverschicht. 
Die Technologie von Optisense im industriellen Umfeld ermöglicht eine lückenlose Qualitätskontrolle und liefert auch Informationen für die weitere Prozessoptimierung.

150 Sensoren pro Minute werden geprüft

Das Schichtdickenmesssystem besteht aus einem Controller als Steuerungseinheit, an den die Sensoren über Kabel angeschlossen sind. Der Paintchecker Controller ist direkt an die Pulverbeschichtungskabine angedockt. Jedes der zig Millionen frisch beschichteten Teile fährt vor der Aushärtung auf einem Transportband durch die Inline-Messstation, in der die Beschichtungsdicke berührungslos via ­Lasersensor geprüft wird. Rund 150 Exemplare in der Minute werden gecheckt. Tag für Tag. 

Zur Software-seitigen Integration in die Fertigungsanlage besitzt der Paintchecker Schnittstellen zu einer übergeordneten SPS. Die komplette Messtechnik ist so direkt an die ILB-Datenbank angebunden. Die vollständigen Prozessdaten werden in Echtzeit an die Analyse-Software übergeben, die dann die Visualisierung übernimmt. Sämtliche Auftragsdaten sind digital hinterlegt und alle Maschinenparameter werden auf einer großen Monitorwand grafisch dargestellt.

„Wer glaubt, der hohe Automatisierungsgrad einer modernen Pulverbeschichtungsanlage degradiere die Kollegen in der Fertigung zu reinen Statisten, der irrt gründlich“, erläutert Bernd Biedermann und vergleicht die Situation mit der des Piloten in einem modernen Cockpit: „Jede Abweichung erfordert eine schnelle Reaktion. Es klingt wie ein Wider­spruch“, so Geschäftsführer Biedermann, „aber je einfacher die Bedienung der Anlage aussieht, desto komplexer sind die dahinterstehenden Prozesse, und die müssen unsere Anlagenführer genau kennen, um im Bedarfsfall das Richtige zu tun“. 

Qualitätsdaten werden zentral erfasst und ausgewertet

Eine der vielen Kennlinien auf dem großen Display zeigt die Schichtdicke an. Ein digitales Toleranzband signalisiert dabei, ob die Schichtdicke im grünen Bereich liegt. Die Kennlinie läuft in der Regel in der Mitte des Toleranzbereichs. „Aber diese Schichtdickenkennlinie bewegt sich auch mal zu den Rändern des Toleranzbandes hin. Nicht sprunghaft, aber unsere Anlagenführer erkennen eine Tendenz zur Abweichung sofort“, erklärt Biedermann. 

Nicht korrekt beschichtete Bauteile werden dann schnell selektiert, gereinigt und wieder die Linie zurückgeführt. Dieser Prozess erleichtert einerseits die Fehlersuche, andererseits wird die Beschichtung vollständig dokumentiert. Diese Daten dienen auch als Qualitätsnachweis gegenüber den Kunden. Diese zentral abgelegten Daten lassen sich weiterverwenden und beispielsweise für das Ressourcenmanagement nutzen.

Und wie geht es im Beschichtungs­prozess weiter? Nach der Pulverbeschichtung und dem Messen nimmt ein Roboter die Abdeckkappen vom Beschichtungsband und setzt sie auf einen Warenträger, der die Kappen durch einen Einbrennofen fährt. Hier schmilzt der Pulverlack und verläuft zu einer gleichmäßigen Schicht. Ein Roboter platziertdie beschichteten Bauteile auf einem Tray und damit stehen die Abdeckkappen zum Versand bereit.

Nebenbei erwähnt Biedermann schmunzelnd: „Die Optisense-Technologie macht mir neben den Kostenersparnissen und gerade wegen der absoluten Prozesskontrolle für eine sehr gleichmäßige Beschichtungsqualität von Anfang an Freude.“

Die Messsysteme funktionieren auch nach 15 Jahren zuverlässig

Doch der erfolgreiche Ersteinsatz der Paintchecker-Systeme war erst der Anfang einer langjährigen Kooperation zwischen ILB und Optisense: Inzwischen sind die Messsysteme in allen drei Produktionslinien im Einsatz. „Nach 15 Jahren Dauereinsatz haben wir lediglich einmal eine Leiterplatte ausgetauscht“, freut sich Biedermann über die wartungsarmen und robusten Mess­systeme. 
Dennoch: Längst gibt es die Geräte der 4. Generation – mit immer weiter optimierten Komponenten für noch flexiblere und genauere Messungen. Biedermann ist neugierig, mehr vom brandneuen Paintchecker Cube zu erfahren, der auf LED-Technik basiert. „Damit gehören Laserschutzbeauftragte und Schutzeinrichtungen der Vergangenheit an. Das wiederum spart Zeit und Kosten“, ordnet Biedermann die Vorteile der neuen Technik ein.

Für raue und pulverartige Oberflächen: der Paintchecker Cube mit LED-Sensoren

Die LED-Sensoren besitzen ein größeres Messfeld als die bisherigen Lasermodelle und eignen sich besonders für raue und pulverartige Oberflächen. Je nach Beschichtungsmaterial kann zwischen Infrarot- oder UV-Anregung gewählt werden. 

Die LED-Sensoren benötigen weniger als eine halbe Sekunde pro Messung und überwachen den Prozess lückenlos und zuverlässig. Durch die Halbleiterlichtquelle stehen die LED-Sensoren für eine hohe Lebensdauer, Energieeffizienz und Vibrationsfestigkeit. „Zudem ist der Paintchecker industrial Cube mit seinem 150 Gramm Gewicht optimal für die Robotermontage geeignet“, stellt Georg Nelke den Optisense-Sensor vor. Und mit der miniaturisierten Würfel-Bauform lässt sich der Sensor auch in beengte Produk­tionsumgebungen leicht integrieren. 

Umstellung von Laser- auf LED-Sensoren hat begonnen

Die ILB startete unlängst den Testlauf mit dem Paintchecker Cube, zunächst parallel zur bisherigen Sensorik. Und auch die Visualisierungs-Software ist bereits auf den neuen Sensor umgestellt. „Klar, es gibt mittlerweile auch andere Anbieter, aber wir haben sehr gute Erfahrungen mit Optisense gemacht und möchten auch in der nächsten Schichtdickenmessgeneration wieder zusammenarbeiten“, resümiert Bernd Biedermann.