Sichere Fahrt mit eisfreier Messtechnik

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Mit einem neuentwickelten 3D-Drahtlegesystem kann Heizdraht auf Kunststoffabdeckungen designungabhängig verlegt werden. Kamerasysteme, Sensoren und Co. werden so vor Vereisung geschützt.

In den letzten Jahren ist der Bedarf an beheizbaren Kunststoffflächen in vielen Bereichen insbesondere im Automotive Sektor stetig gewachsen. Gerade in den Wintermonaten frieren Kamerasysteme, Scheinwerfer, Lidar-Systeme oder Elemente der Radarsensorik, die für autonomes und semi-autonomes Fahren benötigt werden, regelmäßig ein.

So wird zum Beispiel eine zusätzliche Heizung zum Abtauen der Scheinwerferabdeckungen benötigt, da die in modernen Scheinwerfersystemen verwendete LED-Technik nicht genügend Strahlungsenergie (Kaltstrahler) erzeugt. Abhilfe schaffen hier integrierte Heizdrähte, die sich als vielseitig nutzbare Möglichkeit zum Beheizen von Kunststoffflächen durchgesetzt haben, da sie automatisch für ein Abtauen bei niedrigen Temperaturen sorgen.

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Im Gegensatz zu bedampften Flächen beeinflussen sie auch Radar- und Lidar-Systeme nicht. Allerdings ist das Legen der Drähte insbesondere bei dreidimensionalen und gekrümmten Flächen eine Herausforderung und erfordert ein sehr präzises Arbeiten. Ruhlamat hat daher ein 3D-Drahltlegesystem entwickelt, das mithilfe eines 6-Achs-Roboters designunabhängig Kunststoffteile präzise und schnell mit Heizdrähten versehen kann.

„Damit Heizdrähte unsichtbar verbaut werden können, ist es wichtig, diese in bereits vorhandenen Kunststoffelementen zu verbergen. Hierfür bieten sich Herstellerlogos sowie Teile der vorderen und hinteren Stoßfänger an“, erklärt Udo Walter, Produktmanager bei ruhlamat. „Diese besitzen jedoch in der Regel gekrümmte Oberflächen, was für die Anbringung der Drähte ein Verfahren mit dreidimensionaler Ausrichtung erfordert.“

Bisherige Lösungen sahen meist so aus, dass die Heizdrähte zunächst auf einer Folie aufgebracht und anschließend umspritzt wurden. Dieses Verfahren funktioniert allerdings nur bei leicht gewölbten Flächen. Dreidimensional geformte Oberflächen können mit dieser Methode nicht abgebildet werden, da für diese Technologie 2D-Achssysteme eingesetzt werden, die zwar über eine sehr hohe Präzision und Geschwindigkeit in x- und y- Richtung verfügen aber nicht in der Lage sind, dreidimensionale Körper zu bearbeiten. Dadurch sind auch dem Design zu beheizender Kunststoffelemente Grenzen setzt.

Um dennoch die nötige Freiheit beim Drahtlegen zu gewährleisten, hat ruhlamat die 3D-Drahtlegetechnik WCEvario3D entwickelt. Dabei werden die Heizdrähte in bereits fertig designte Kunststoffoberflächen integriert, indem Drahtgeometrien direkt auf die Vorder- oder Rückseite der Sensorabdeckungen, Frontgrills, Embleme oder Stoßfänger aufgebracht werden. Dies führt letztendlich nicht nur zu präziseren Ergebnissen, sondern bringt außerdem eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis mit sich. Die Drähte sind mit einem Durchmesser zwischen 50 und 100 µm zudem kaum sichtbar. Zusätzlich können durch eine schwarze Beschichtung Reflexionen verhindert werden.

Roboter passt die Neigung des Drahtlegekopfes an die zu bearbeitende Fläche an

Das 3D-Drahtlegen stellt, laut Walter, gegenüber dem herkömmlichen Drahtlegeverfahren, das beispielsweise bei der Fertigung von Antennen in Chipkarten zum Einsatz kommt, an sich eine Neuerung dar: „Neu hinzugekommen ist nun aber die Möglichkeit, zusätzliche Freiheitsgrade durch einen 6-Achs-Roboter auszunutzen.“

Dadurch wird eine Tiefendimension beim Drahtlegen möglich, die durch die genauere Reaktionsfähigkeit des Roboters auf gekrümmten und unebenen Flächen gewährleistet wird: Der Roboter kann die Neigung des Drahtlegekopfes an die zu bearbeitende Fläche anpassen. Dies ist wichtig, weil der Draht nur dann richtig aufgebracht werden kann, wenn die Sonotrode senkrecht zur bearbeitenden Fläche ausgerichtet ist. Um dies zu ermöglichen, wurde der Drahtlegekopf mit einem Roboter aus dem Hause ABB kombiniert. Dieser ist mit einer hochpräzisen Druckkontrolle ausgestattet, die es erlaubt, einen immer gleichen Anpressdruck zu erzeugen – dadurch können Unebenheiten oder Abweichungen zwischen Werkteil und 3D-Kontur ausgeglichen werden.

Das Drahtlegen als solches wird mithilfe der von ruhlamat entwickelten Ultraschall-Drahtlegetechnik ausgeführt, die ein schnelles und präzises Vorgehen ermöglicht: Mithilfe eines Ultraschall-Generators werden elektrische Schwingungen bei 70 kHz erzeugt, die von einem Piezokristall in mechanische Schwingungen umgewandelt werden. Die Sonotrode verstärkt diese Schwingungen, wodurch es zu einer Molekular- und Grenzflächenreibung am Substrat kommt.

Die Reibung zwischen Sonotrode, Draht und Substrat- bzw. Kunststoffoberfläche führt zu einem partiellen Aufschmelzen der Oberfläche. Dadurch ist es möglich, den Heizdraht über die Drahtdurchführung in der Sonotrode in den geschmolzenen Kunststoff zu legen und somit direkt in diesen zu integrieren. Der Einsinkweg des Drahtes wird über die Anpresskraft der Sonotrode auf die Oberfläche reguliert. Für einen stabilen Prozess ist aber eine präzise Kraftregelung unabdingbar. Dank der Druckkontrolle kann der Roboter jedoch aktiv auch auf unebene Oberflächen reagieren und seine Bahn bzw. die Ausrichtung des Drahtlegekopfes entsprechend anpassen. So lassen sich selbst konkave und konvexe Konturen mit dem 3D-Drahtlegeverfahren bearbeiten.

Kompakter Roboter ermöglicht sektorübergreifenden Einsatz

Durch die neuentwickelte 3D-Drahtlegetechnik lassen sich dreidimensionale Oberflächen schnell und ohne Zwischenschritte bearbeiten. Die Programmierung der 3D-Drahtlegekontur kann dabei entweder als Kurve im Raum mittels der Steuerungssoftware vorgenommen oder als Pfad aus einer 3D-CAD-Datei eingelesen werden. Die kompakte Bauweise der Roboterzelle ermöglicht zudem eine platzsparende Alternative zu anderen Drahtlegeanlagen.

„Darüber hinaus könnte das Verfahren zukünftig auch in weiteren Sektoren verwendet und überall dort genutzt werden, wo beheizte Kunststoffoberflächen erforderlich sind. Dadurch lassen sich kostenintensive und zeitlich aufwendige Methoden ersetzen“, resümiert Walter.

* Erik Stegmann ist Sales Engineer bei ruhlamat in Marksuhl.

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