Unter Strom, aber keine einzige Schraube locker!

Autor Marcus KiesslichErstellt am Keine KommentareKategorien Connected Automation

Wie Sie Batterie-Packs  für Elektrofahrzeuge  prozesssicher und effizient verschrauben.

Batterie-Packs  für Elektro- und Hybridfahrzeuge müssen unter Spannung verschraubt werden. Weil Montagefehler die Gesundheit der Werker, die Funktion und ggf. die Crashsicherheit gefährden, herrscht eine strenge Überwachungs- und Dokumentationspflicht. Welche Antworten bietet Industrie 4.0 für eine normgerechte und zugleich wirtschaftliche Verschraubung in Produktion und Service?

 

Mehrere Hundert Schraubverbindungen je Batteriepack

Langsam aber sicher kommt die E-Mobilität in Fahrt. Im Jahr 2025 werden schätzungsweise fast 20 Millionen Hybride und Elektrofahrzeuge produziert. Produktionsleiter und Service-Verantwortliche sind aufgerufen, Fertigungslinien und Werkstätten entsprechend vorzubereiten. Sie haben es künftig mit Batterie-Packs  zu tun, die je nach Modell mit mehreren hundert Schrauben zu montieren sind und die zugleich einen großen Einfluss auf die Leistung, Reichweite, Lebensdauer und nicht zuletzt die Fahrzeugsicherheit haben. Sollten sich Einzelteile während der Fahrt lösen, besteht Gefahr für Leib, Leben und Umwelt. Gemäß VDI/VDE Norm 2862 müssen Zulieferer  und OEMs deshalb den Verlauf jeder einzelnen sicherheitskritischen Verschraubung genau überwachen und die dokumentierten Daten für zehn Jahre archivieren. Nicht wenige Verantwortliche fragen sich, wie sich die Umstellung in Produktion und Service wirtschaftlich realisieren und die Prozessqualität effizient sicherstellen lassen.

Sicherheitskritische Verschraubungen in der komplexen Batteriemontage: Im Bosch Werk Bamberg vermeidet ein Funk-Akkuschrauber mit integrierter Sensorik und Intelligenz teure Nacharbeiten sowie Verletzungs- und Produkthaftungsrisiken.

 

Montage unter Spannung braucht neue Sicherheitskonzepte

So ein Batterie-Pack  ist ein komplexes Gebilde aus Steuerung, Gehäuseteilen und zahlreichen Batteriemodulen aus Lithium-Ionen-Zellen, die produktionsbedingt teilgeladen sind. Auch die Reparatur, etwa der Austausch eines Moduls – erfolgt typischerweise unter Spannung. Ein Kurzschluss bei 400 bis 600 Volt wäre tödlich. Die Verschraubung mit handgehaltenen, kabelgebundenen Schraubwerkzeugen birgt das Risiko der unbeabsichtigten Potentialübertragung über elektrisch leitende Metallteile von der Nuss bis in den Schrauber und weiter bis in die Steuerung . Natürlich bildet das auch ein beachtliches Risiko für den Werker, der den Handschrauber in der Hand hält und bedient. Um Verletzungen, Umweltschäden und Produkthaftungsfälle vorzubeugen ohne die Wirtschaftlichkeit aufs Spiel zu setzen, sind prozesssichere, intelligente und skalierbare Verschraubungslösungen erforderlich, welche die Funktionalität der kabellosen Datenaufzeichnung und -übertragung bereits beinhalten.

 

Komplettsysteme: intelligent, drahtlos, sicher

Eine solche Komplettlösung, mit der Zulieferer und OEMs die Anforderungen nach VDI/VDE 2862 einfach erfüllen, und die Werker unter höchster Sicherheit frei arbeiten können, hat Bosch Rexroth über mehrere Jahre in der konzerneigenen Batteriefertigung erprobt und zur Marktreife gebracht. Sie kombiniert einen rundum isolierten Funk-Akkuschrauber des Typs Nexo mit der speziell für die Batteriemontage entwickelten Schutzisolierung NXAP030/ NXPP012 und bietet so nicht nur Schutz vor versehentlichem Ablegen des Schraubers auf die spannungsführenden Teile der Batterie, sondern auch vor Spannungsverschleppung in den Schrauber. Die Konstruktion der Schutzisolierung in der Spannungsklasse bis 800V ist von der Dekra bestätigt. Darüber hinaus verhindert die Schutzisolierung das Aufwickeln von Kleidungsteilen in den Abtrieb.

Schutzisolierungen für Abtrieb und Werkzeugaufnahme schützen Werker vor gefährlichen Spannungen: In der Batteriemontage für E-Mobile können 400 Volt und mehr wirken, doch schon bei 48 Volt sind Vorkehrungen zu treffen.

 

Geballte Fachkompetenz

In seinem intelligenten Funk-Akkuschrauber Nexo konzentriert Rexroth seine Fachkompetenz aus über 30 Jahren gesteuerter Schraubtechnik. 1982 stellte das Unternehmen das weltweit erste elektrische Schraubsystem mit elektronischer Drehzahlabschaltung vor. In den nächsten zehn Jahren folgen die erste flexible Stufenablaufprogrammierung und das erste volldigitale Schraubsystem. Genau 20 Jahre vor der Nexo-Premiere feierte der weltweit erste digitale Handschrauber Premiere. Über die Mehrkanal-Tauglichkeit und integrierte Logik setzt sich die Innovationslinie bis heute fort. Den jüngsten Meilenstein bildet der Process Quality Manager, eine in Gemeinschaftsarbeit zwischen Bosch Rexroth und Bosch Software Innovations entstandene Software-Lösung, über den sich mittels Big Data Analysen Abweichungen im Produktionsprozess erkennen lassen.

 

Richtungsweisende Impulse: Seit 35 Jahren prägt Bosch Rexroth die Entwicklung in der gesteuerten Schraubtechnik.

 

Prozesssichere Verschraubung à la i4.0

Als Leitanwender ließ Rexroth nicht zuletzt sein Know-how in Sachen Industrie 4.0 einfließen. Da die komplette Steuerung in den Schrauber integriert ist, fügt sich der Nexo ohne zusätzliche Hardware in das Produktionshallennetz ein und kommuniziert direkt mit der Liniensteuerung und dem Archivierungsserver. Die webbasierte Software gestattet einen ortsunabhängigen Zugriff auf die Daten – egal ob vom PC oder Smart Device. Mittels eines integrierten Barcodescanners, kann der Funk-Akkuschrauber auch die entsprechenden Teile identifizieren und den Werker exakt durch den Montageprozess führen. Reißt die Funkverbindung einmal ab speichert das Gerät die Schraubergebnisse vorübergehend in einem Datenpuffer und überträgt diese automatisch nach wiederhergestellter Verbindung. Mit dezentraler Intelligenz, Konnektivität, integrierter Datenerfassung und gezielter Prozessführung bis hin zur Losgröße 1 erfüllt der Funk-Akkuschrauber Nexo letztlich alle i4.0-Kriterien.

 

VDI/VDE 2862 und Effizienz verbinden

Gemäß der Überwachungs- und Dokumentationspflicht für sicherheitskritische Verschraubungen müssen Drehmoment und -Winkel direkt auf dem Schrauber gemessen werden, beispielweise mittels Drehwinkel- und Drehmomentsensoren. Eine indirekte Messung über den genutzten Strom ist nicht ausreichend. Die umfassende Sensorik des Nexo erzeugt pro Schraubvorgang bis zu vier DIN A4 Seiten an Daten, die im quelloffenen JSON-Format (JavaScript Object Notation) verfügbar gemacht werden. Für jeden Schraubfall erhält der Prozessverantwortliche eine exakte Kurve zur schnellen Schraubfall-Analyse. Durch Vergleich mit dem optimalen Verlauf lassen sich somit weit mehr Montagefehler erkennen, als der gesetzliche Rahmen vorgibt. In der Batteriemontage kann beispielsweise ein falsches Kabel bei der Verschraubung der Kabelklemme auf Grund vordefinierter Parameter im Schraubprogramm erkannt werden. Weitere Beispiele bilden eine falsche Schraube sowie eine fehlende oder doppelt platzierte Unterlegscheibe.

Effizienter Ein- und Umstieg: Der Funk-Akkuschrauber Nexo fügt sich als skalierbare Komplettlösung mit integrierter Intelligenz in bestehende IT-Systeme ein.

 

Genaue Werkerführung statt teurer Nacharbeit

Die Größe der Datenbasis bestimmt auch, wie effektiv eine Fehlervermeidungsstrategie tatsächlich ist, und wie wirkungsvoll sich teure Nacharbeiten vermeiden lassen. Schließlich folgt die Batteriemontage einer genau festgelegten Sequenz, wobei keine Verschraubung vergessen, keine fehlerhaft sein darf. Um die Anzahl der Verschraubungen im Prozess zu kontrollieren und NOK-Verschraubungen („Nicht OK“) sofort zu identifizieren, kann für jeden Schraubfall ein eigenes Programm angelegt, und dieses wiederum in bis zu 12 Schritte– einschließlich Lösen und Neuanziehen – unterteilt werden. In Verbindung mit einem Anzeigeterminal und einer Lokalisierungslösung wird der Werker exakt geführt. So zeigt beispielsweise ein blauer Punkt auf dem Monitor die nächste Schraubstelle an; bei erfolgreicher Verschraubung wechselt dieser auf grün. Auch eine Unterbrechung der zu verschraubenden Sequenz ist möglich. Die entsprechende Schraubstelle wird gespeichert und bei Wiederaufnahme der Tätigkeit dem Werker angezeigt. Ist der Schrauber nicht an der richtigen Stelle, erhält dieser keine Freigabe. Eine entsprechende Ortung des Schraubers kann aus einer Dreiecksberechnung zwischen Sender und Empfänger erfolgen, mittels Kameratechnik, Ultraschall oder einer Kombination daraus. Mit ortsfesten Systemen lässt sich der Schrauber bis auf 10 mm genau lokalisieren.

 

Fazit: „Nullfehler“ zum Nachrüsten

Mit intelligenten Komplettsystemen zur prozesssicheren Verschraubung können Automobilhersteller, Zulieferer und Service-Betriebe die Gesundheit ihrer Werker wirkungsvoll schützen und über die gesetzliche Überwachungs- und Dokumentationspflicht hinaus die Produktivität steigern und die Prozessqualität nachhaltig sichern und optimieren. Nicht zuletzt lassen sich so die komplexen Montagesequenzen von Batteriepaketen für die Elektromobilität nicht nur normgerecht, sondern auch effizient und fehlerfrei gestalten.

 

 

Über den Autor:

ist Leiter des Produktmanagements Verbindungstechnik bei der Bosch Rexroth AG in Murrhardt. Er studierte Feinwerktechnik (Dipl.-Ing.) an der Hochschule Ulm. Seit 2002 arbeitet er bei Bosch Rexroth mit Stationen im Produktmanagement und dem internationalen Vertrieb.

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