Dreidimensionales, sicheres Kamerasystem: Brennstoffzellen flexibel produzieren

Ein wesentlicher Baustein für eine Einführung der Brennstoffzellentechnik in den Markt ist die Gewährleistung einer qualitativ hochwertigen Fertigung. Unterschiedliche Projekte in der Vergangenheit haben gezeigt, dass Brennstoffzellenstacks nur durch automatisierte, hochpräzise Fertigungsprozesse kostengünstig und reproduzierbar hergestellt werden können. Diese Technologien für die Brennstoffzellenfertigung und -montage zu entwickeln, ist eine Schwerpunktaufgabe der Abteilung Fertigungstechnik des Test-, Applikations- und Assemblierungszentrums (TAZ) des ZBT in Duisburg. Brennstoffzellenstacks sicher produzieren Um Brennstoffzellenstacks in einer gleichbleibend hohen Qualität bei gleichzeitig möglichst geringen Kosten herstellen zu können, entwickelt die Abteilung Fertigungstechnik des TAZ gegenwärtig eine neuartige Pilotanlage zur automatisierten Einzelzellfertigung und Stackmontage von Brennstoffzellen. Ziel ist, eine Methode zu finden, bei der die Qualität der für die Brennstoffzellenproduktion benötigten Bipolarhalbplatten während des Fertigungs­prozesses gesichert werden kann. Als Basis für diese Pilotanlage fungiert dabei eine erstellte Computersimulation zur Ermittlung der erforderlichen Komponenten, insbesondere im Hinblick auf eine Analyse der notwendigen Logistik, der Taktzeiten sowie der Signalverarbeitung. Der notwendige Platzbedarf und der vorgeschriebene Sicherheitsabstand, den das dreidimensionale, sichere Kamerasystem SafetyEye benötigt, können so ebenfalls ermittelt werden. Die technische Realisierung ist nächster Schritt: In der ersten Station werden die im hauseigenen Technikum mittels Spritzgießverfahren hergestellten graphitischen Bipolarhalbplatten vereinzelt. Hierfür werden diese in speziell für die jeweiligen Kapazitätsanforderungen entwickelten Magazinen bereitgestellt, wobei eine spezielle Greifertechnologie für eine schonende Handhabung sorgt. Es folgt in Station 2 eine präzise Qualitätskontrolle der Bipolarhalbplatten, die auf mögliche Fehlertypen mittels digitaler Bildanalyse überprüft werden. Die Markierung der Bipolarhalbplatten ist ein weiterer Fertigungsschritt, damit bereits an dieser Stelle die einzelnen Stationen bzw. Produktionsschritte exakt zurückverfolgt werden können. Ein Data-Matrix-Code, mittels Laser auf die Bipolarhalbplatten aufgebracht, soll die Traceability, also die Rückverfolgbarkeit, gewährleisten. Im nächsten Produktionsschritt werden nun diese mittels Dispenser- oder Siebdruckverfahren appliziert und ausgehärtet, wobei auf das Auftragungs- und Aushärtungsverfahren hinsichtlich Linienauflagen, Hitzebeständigkeit oder auch die Berücksichtigung der wärmebedingten Ausdehnung abgestimmte Werkstückträger zum Einsatz kommen. Bevor die Brennstoffzellenstacks in der letzten Station montiert werden, müssen die hochsensiblen Membran-Elektroden-Einheiten in Bezug auf die Orientierung der aktiven Fläche der Zelle, dem so genannten FlowField, exakt positioniert werden. Die Handhabung erfordert dabei höchste Präzision. Nach dem Fügen und Fixieren der Einzelzellen werden diese auf ihre Dichtheit überprüft. Die bis zu diesem Schritt der Produktion erfolgten Kontrollen – Überprüfung der Bipolarhalbplatten, Dichtheitsprüfung der Einzelzellen – werden ergänzt durch eine In-process-Kontrolle während der anschließenden Stackmontage. Erst nach einer finalen Qualitätskontrolle der fertig montierten Brennstoffzellenstacks dürfen diese die automatisierte Produktion verlassen. Sämtliche Prüfungen erfolgen dabei nach der für Brennstoffzellen-Module gültigen Norm DIN EN 62282-2. In der Pilotanlage können Stackgrößen von 24 bis 72 Zellen produziert werden, mit denen unterschiedlichste Leistungsanforderungen flexibel realisierbar sind. Damit die Anlage für die Neu- und Umgestaltung von Applikationen ebenso flexibel angepasst werden kann, muss sie modular aufgebaut sein. Dementsprechend flexibel anpassbar muss auch die Sicherheitstechnologie sein um einerseits einen ausreichenden Schutz der Mitarbeiter gewährleisten zu können und andererseits aber auch den Pilotanlagenbetrieb nicht durch störende Schutzeinrichtungen zu behindern. Im TAZ hat man sich daher für das sichere, dreidimensionale Kamerasystem SafetyEye entschieden. Das vom Unternehmen Pilz aus Ostfildern bei Stuttgart entwickelte, innovative Kamerasystem überwacht sämtliche Gefahrenbereiche der Pilotanlage sicher und lässt sich schnell und einfach an veränderte Applikationsanforderungen anpassen. Sicheres Kamerasystem überwacht in 3-D Mit dem sicheren Kamerasystem SafetyEye von Pilz lässt sich eine lückenlose Überwachung von Gefahrenstellen und -bereichen flexibel, sicher und einfach realisieren. Virtuelle Warn- und Schutzräume lassen sich schnell und einfach einrichten und ersetzen dabei mechanische Barrieren: SafetyEye wird über dem zu überwachenden Bereich installiert, dadurch ermöglicht es freien Zugang und sicheren Aufenthalt im Gefahrbereich der Pilotanlage. SafetyEye ist eine \’sehende\‘ Sicherheitstechnologie für die Raumüberwachung, die intelligente Sensorik mit effektiver Steuerung kombiniert. Gefahrenbereiche werden mit virtuellen Warn- und Schutzräumen umgeben, die sich im SafetyEye Configurator frei definieren lassen. Der SafetyEye Configurator bietet die Möglichkeit, verschiedene, vordefinierte geometrische Formen sowie die Option, Warn- und Schutzräume frei Hand zu erstellen. Es lassen sich beliebig viele Warn- und Schutzräume konfigurieren, denen dann mit Hilfe des Konfigurationstools verschiedene Aktionen für unterschiedliche Gefahrensituationen zugeordnet werden können. Virtuelle Schutzräume sind flexibel Schutz- und Warnräume lassen sich zu komplexen Raumordnungen zusammenfassen und sind dennoch einfach zu handhaben, da sie sich intuitiv und schnell am PC konfigurieren lassen. Sind für verschiedene Betriebsarten einer Maschine unterschiedliche Raumordnungen notwendig, können diese während des Arbeitszyklus der Maschine dynamisch über das sichere Bussystem SafetyBus p oder die digitalen Eingänge der PSS-Steuerung, beide ebenfalls von Pilz, umgeschaltet werden. Anwender bleiben flexibel, denn einmal definierte Schutzräume lassen sich per Mausklick im SafetyEye Configurator anpassen. Die Überwachung von Schutzräumen orientiert sich damit nicht mehr an den technischen Notwendigkeiten, sondern an den Anforderung der Prozessabläufe der Anwender, die sich so flexibel gestalten lassen. Im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden zur Absicherung und Überwachung hat die dreidimensionale Überwachung und Steuerung Vorteile. Denn diese stört weder den Produktions- noch den Arbeitsablauf. Die Besonderheit des dreidimensionalen, sicheren Kamerasystems: eine Schutzraumverletzung führt nicht automatisch zum Not-Halt. Denn übertritt ein Mitarbeiter den virtuellen Schutzraum an einer Stelle, die der Roboter erst nach mehreren Sekunden erreichen würde, kann der Schutzraum deaktiviert werden und stattdessen ein Warnraum an gleicher Stelle aktiviert werden. Die Steuerungstechnik sorgt dann dafür, dass der Roboter sich mit extrem reduzierter Geschwindigkeit weiter bewegt. Tritt der Mitarbeiter, alarmiert durch ein Warnsignal, wieder zurück, arbeitet der Roboter mit normaler Geschwindigkeit weiter. Nur wenn der Mitarbeiter den unmittelbaren Gefahrenbereich betritt, erfolgt ein Not-Halt. So lassen sich Prozesse passgenau steuern und flexibel sichern. Zukünftig wird das ZBT die Fertigungstiefe mit Blick auf Brennstoffzellenkomplettsysteme noch erhöhen eine hochkomplexe Aufgabe. \“Dies erfordert eine Mensch-Maschine-Interaktion\“, erklärt Lars Preißner, Leiter der Abteilung Fertigungstechnik am ZBT, \“durch die zwei bereits installierten SafetyEye sind hierfür optimale Voraussetzungen gegeben.\“ Für das ZBT ist die Flexibilität des Sicherheitssystems wichtiges Auswahlkriterium: Nur automatisierte, hochpräzise Fertigungsprozesse – von der Industrie gefordert – ermöglichen eine reproduzierbare Herstellung von Brennstoffzellenstacks und -systemen. Die Möglichkeit aber, Brennstoffzellen in Serie zu fertigen, benötigt wiederum eine flexible Sicherheitslösung wie es das dreidimensionale und sichere Kamerasystem SafetyEye ist. SPS/IPC/Drives 2010: Halle 9 Stand 370 Kasten: \’Sehende\‘ Sicherheitstechnologie