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Sensortechnik am Auto 3D-Heizdrahtwickel-Innovation sorgt sicher für Tauwetter

| Redakteur: Peter Königsreuther

Mit einem roboterunterstützten System zum 3D-Heizdrahtwickeln hat Ruhlamat aus Thüringen eine Möglichkeit geschaffen, mit der man auch gewölbte Kunststoffabdeckungen für Sensoren und Kameras sicher „auf Draht“ bringt.

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Auch bei bitterkalten Temperaturen bleiben messtechnische Systeme am Auto jetzt sicher eisfrei! Der Grund ist, dass man jetzt bei der Herstellung beheizbarer Kunststoffteile mit innenliegenden Heizdrähten mehr Deignfreiheit bei der Drahtgeometrie genießen kann. Wie das geht, macht das Unternehmen Ruhlamat vor: Per Sonotrode wird zwischen Draht und Kunststoff Reibung erzeugt. Der Kunststoff schmilzt partiell auf und der Draht kann so gut integriert werden – mit kraftgesteuertem Einsinkweg, heißt es.
Auch bei bitterkalten Temperaturen bleiben messtechnische Systeme am Auto jetzt sicher eisfrei! Der Grund ist, dass man jetzt bei der Herstellung beheizbarer Kunststoffteile mit innenliegenden Heizdrähten mehr Deignfreiheit bei der Drahtgeometrie genießen kann. Wie das geht, macht das Unternehmen Ruhlamat vor: Per Sonotrode wird zwischen Draht und Kunststoff Reibung erzeugt. Der Kunststoff schmilzt partiell auf und der Draht kann so gut integriert werden – mit kraftgesteuertem Einsinkweg, heißt es.
(Bild: Ruhlamat)

In den letzten Jahren ist der Bedarf an beheizbaren Kunststoffflächen in vielen Bereichen insbesondere im Automotive Sektor stetig gewachsen, sagt Ruhlamat. Vor allem in den Wintermonaten frieren Kamerasysteme, Scheinwerfer, Lidar-Systeme oder Elemente der Radarsensorik, die für autonomes und semiautonomes Fahren benötigt werden, aber regelmäßig ein. Um das zu vermeiden, brauche es eine zusätzliche Heizung zum Abtauen der Scheinwerferabdeckungen, weil die in modernen Scheinwerfersystemen verwendete LED-Technik nicht genügend Strahlungsenergie (Kaltstrahler) erzeuge, um das Eis verschwinden zu lassen.

Probate Abhilfe können hier integrierte Heizdrähte schaffen, die sich als vielseitig nutzbare Möglichkeit zum Beheizen von Kunststoffflächen durchgesetzt haben, weil sie, wie es weiter heißt, automatisch für „Tauwetter“ sorgen können. Im Gegensatz zu bedampften Flächen beeinflussten sie Radar- und Lidar-Systeme außerdem nicht.

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Allerdings sei das Legen der Drähte insbesondere bei dreidimensionalen und gekrümmten Flächen eine Herausforderung und mache ein sehr präzises Arbeiten erforderlich. Die Ruhlamat GmbH hat sich deshalb Gedanken gemacht, um das Manko zu beseitigen. Heraus kam ein 3D-Drahltlegesystem, das mithilfe eines 6-Achs-Roboters von ABB, die betreffenden Kunststoffteile designunabhängig und präzise sowie flott mit den nötigen Heizdrähten ausstattet.

Kostensparende 3D-Drahtlegetechnik freut auch den Designer

„Damit Heizdrähte quasi unsichtbar integriert werden können, ist es wichtig, diese in bereits vorhandenen Kunststoffelementen zu verbergen. Dazu bieten sich etwa Herstellerlogos oder Partien der vorderen und hinteren Stoßfänger an“, erklärt Udo Walter, Produktmanager bei Ruhlamat. Das Problem: diese haben in der Regel gekrümmte Oberflächen, was das Vorhaben erschwert und ein Verfahren mit dreidimensionaler Ausrichtung erfordert, merkt Walter an. Bisher existierende Möglichkeiten sahen meist so aus, dass die Heizdrähte zunächst auf einer Folie appliziert und dann mit Kunststoff umspritzt wurden. Das klappe allerdings nur bei leicht gewölbten Flächen. Stärker dreidimensional geformte Oberflächen könnten mit dieser Methode nicht abgebildet werden, weil für den genannten Prozess 2D-Achssysteme eingesetzt werden. Diese, sagt Walter, verfügen zwar über eine sehr hohe Präzision und Geschwindigkeit in X- und Y- Richtung, sind aber nicht in der Lage, wirklich dreidimensionale Körper zu bearbeiten. Das begrenzte bisher die designerische Freiheit für die Herstellung beheizbarer Kunststoffelemente.

Um die Grenzen der konturtechnischen Machbarkeit beim Drahtlegen zu erweitern, hat Ruhlamat die neue 3D-Drahtlegetechnik „WCE vario 3D“ aus der Taufe gehoben, betont Walter. Mit dieser werden die Heizdrähte in bereits fertig designte Kunststoffoberflächen integrierbar, indem die Drahtgeometrien direkt auf die Vorder- oder Rückseite der Sensorabdeckungen, Frontgrills, Embleme oder Stoßfänger aufgebracht werden kann. Dies führe letztendlich nicht nur zu präziseren Ergebnissen, sondern spare nicht zuletzt auch Zeit- und Kosten. Die Drähte seien mit ihrem Durchmesser zwischen 50 und 100 µm dabei kaum erkennbar. Zusätzlich können durch eine schwarze Beschichtung auch Reflexionen verhindert werden, heißt es.

Kollege Roboter kompensiert nicht nur Unebenheiten

Zwar stelle das 3D-Drahtlegen im Vergleich zum 2D-Drahtlegen, das beispielsweise bei der Fertigung von Antennen in Chipkarten zum Einsatz komme, an sich bereits eine Innovation dar. „Neu hinzugekommen ist nun aber die Möglichkeit, zusätzliche Freiheitsgrade durch einen 6-Achs-Roboter auszunutzen“, betont Walter. So wird jetzt eine Tiefe beim Drahtlegen möglich, die durch die Reaktionsfähigkeit und Präzision des Roboters im Hinblick auf gekrümmte und unebene Flächen gewährleistet wird. Denn der Roboter kann die Neigung des Drahtlegekopfes an die zu bearbeitende Fläche anpassen, präzisiert Walter. Dieser Eigenschaft sei essenziell, weil der Draht nur dann richtig aufgebracht werden könne, wenn die Sonotrode auch senkrecht zur bearbeitenden Fläche ausgerichtet sei. Damit das klappt, wurde der Ruhlamat-Drahtlegekopf mit dem ABB-Roboter kombiniert. Dieser ist mit einer hochpräzisen Druckkontrolle ausgestattet, die es erlaubt, einen immer gleichen Anpressdruck zu erzeugen, heißt es weiter. Dadurch könnten Unebenheiten oder Abweichungen zwischen Werkstück und 3D-Kontur sicher ausgeglichen werden.

Das Drahtlegen wird mithilfe der von Ruhlamat entwickelten Ultraschall-Drahtlegetechnik ausgeführt, die schnell und präzise abläuft. Mithilfe eines Ultraschall-Generators werden elektrische Schwingungen von 70 kHz erzeugt, die von einem Piezokristall in mechanische Schwingungen umgewandelt werden. Die Sonotrode verstärkt die Schwingungen, wodurch es zu einer Molekular- und Grenzflächenreibung am Kunststoffsubstrat kommt. Die Reibungswärme zwischen Sonotrode, Draht und der Kunststoffoberfläche schmilzt Letztere partiell an der Oberfläche auf. Dann kann der Heizdraht über die Drahtdurchführung in der Sonotrode in den geschmolzenen Kunststoff sicher eingelegt und so direkt in diesen integriert werden, erklärt Walter. Der Einsinkweg des Drahtes werde über die Anpresskraft der Sonotrode auf die Oberfläche reguliert. Für einen stabilen Prozess ist aber eine präzise Kraftregelung unabdingbar, heißt es weiter. Aber aufgrund der Druckkontrolle könne der Roboter auch aktiv auf unebene Oberflächen reagieren und seine Bahn beziehungsweise die Ausrichtung des Drahtlegekopfes entsprechend anpassen. So ließen sich selbst konkave und konvexe Konturen mit dem 3D-Drahtlegeverfahren prozesssicher bestücken.

Kompaktes 3D-Drahtlegen kann auch andere Anwender freuen

Durch die innovative 3D-Drahtlegetechnik lassen sich also jetzt auch echte 3D-Oberflächen von thermoplastischen Kunststoffteilen schnell und ohne Zwischenschritte funktionalisieren. 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, sagt Ruhlamat. Die kompakte Bauweise der Roboterzelle kann außerdem als platzsparende Alternative zu anderen Drahtlegeanlagen betrachtet werden. „Darüber hinaus könnte das Verfahren zukünftig auch für weiteren Sektoren attraktiv sein und überall dort genutzt werden, wo beheizte Kunststoffoberflächen erforderlich sind. Denn damit lassen sich kostenintensive und zeitlich aufwendige Methoden ersetzen“, resümiert Walter.

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