Ist der Kabelbaum endlich bereit für den Robotereinsatz?

Karosseriebau, Lackiererei und Batteriefertigung erreichen heute bereits einen sehr hohen Automatisierungsgrad. Die Produktion von Kabelbäumen bildet dagegen weiterhin eine Ausnahme. Flexible Leitungen, zahlreiche Abzweigungen, kleine Steckverbinder und eine enorme Variantenvielfalt erschweren den Einsatz von Maschinen erheblich.

Deshalb verändert die Branche derzeit ihren Ansatz. Anstatt einen Kabelbaum zu automatisieren, der ursprünglich für die manuelle Montage entwickelt wurde, richten Ingenieure ihren Fokus zunehmend darauf, das Produkt selbst so zu gestalten, dass es von Robotern leichter gegriffen, verlegt, geprüft und montiert werden kann.

Warum Kabelbäume so schwer zu automatisieren sind

Die Herausforderungen beginnen bei den physikalischen Eigenschaften des Produkts. Leitungen sind flexibel und verändern ihre Form, sobald sie aufgenommen oder abgelegt werden. Menschliche Mitarbeiter gleichen diese Veränderungen intuitiv aus. Roboter hingegen benötigen vorhersehbare Positionen und reproduzierbare Bedingungen.

Ein anschauliches Beispiel liefert ein Automatisierungsprojekt von Nissan und der University of Tennessee. Dort gelang es, einen Terminalkontakt mit einem Durchmesser von 1,6 Millimetern wiederholt in eine 1,8 Millimeter große Öffnung eines Steckverbinders einzusetzen. Deutlich schwieriger wird der Vorgang jedoch, sobald sich der Stecker mit weiteren Kontakten füllt und der verfügbare Bauraum für zusätzliche Leitungen immer kleiner wird.

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Aaron Hall, Industrial Strategy Engineer bei Nissan, beschreibt die Problematik treffend: „Eine Leitung ist keine starre Struktur wie im Karosseriebau oder in der allgemeinen Montage. Sie ist unvorhersehbar und nahezu unkontrollierbar, solange man nicht das komplette Bauteil im Griff hat.“ Deshalb reichen leistungsfähigere Roboter allein nicht aus. Auch die Geometrie der Steckverbinder, die Leitungsführung und die gesamte Produktionsabfolge müssen stärker auf die Anforderungen automatisierter Prozesse ausgelegt werden.

Automatisierung verlagert sich in die Vormontage

Ein realistischerer Weg besteht darin, zunächst kleinere Baugruppen zu automatisieren, bevor die Endmontage erfolgt. Anstatt einen kompletten Fahrzeugkabelbaum in einem hochautomatisierten Prozess zu fertigen, können Hersteller größere Teile des Arbeitsumfangs bereits in automatisierten Vormontageschritten erledigen. Christian Infanger, Director Product Group Harness Assembly bei Komax, bringt das zentrale Problem auf den Punkt: „Die heutige Endmontage ist arbeitsintensiv und fehleranfällig.“ Arbeitsschritte wie Zuschneiden, Crimpen, Verdrillen oder das Einsetzen von Kontakten lassen sich bereits deutlich einfacher automatisieren als die Endmontage eines kompletten Kabelbaums. Inzwischen kommen zudem automatisiertes Bandagieren, Clip-Montage und automatisierte Leitungsführung hinzu.

Unterstützt wird dieser Wandel durch sogenannte One-Piece-Flow-Konzepte. Dabei durchläuft ein Teilkabelbaum mehrere Prozessschritte hintereinander, ohne wiederholt zwischengelagert, aufgenommen oder neu positioniert werden zu müssen. Das reduziert Handling-Aufwände, erleichtert die Umsetzung von Konstruktionsänderungen und kann den Testaufwand am Ende der Linie verringern. Der Nutzen beschränkt sich nicht auf die Reduzierung manueller Arbeit. Flexible Fertigungszellen können zudem schneller auf schwankende Produktionsvolumina und neue Kabelbaumvarianten reagieren.

Was das Projekt Next2OEM gezeigt hat

Welches Potenzial in einem anderen Ansatz steckt, verdeutlicht das Forschungsprojekt Next2OEM. Dabei steht nicht eine einzelne Roboterzelle im Mittelpunkt. Vielmehr soll die gesamte Prozesskette konsequent automatisiert werden – von der Leitungsverarbeitung und Kontaktbestückung über Prüfung und Vormontage bis hin zur späteren Integration des Kabelbaums ins Fahrzeug. Das zentrale Prinzip lautet: Produkt, Prozess und Produktionsanlagen werden von Anfang an gemeinsam entwickelt.

Wie OEMs ihre Fabriken für unsichere Zeiten rüsten

Flexibilität in der Produktion wird für Autobauer immer wichtiger. Angesichts kürzerer Modellzyklen, neuer Antriebstechnologien und volatiler Märkte müssen Werke in der Lage sein, sich schnell an veränderte Rahmenbedingungen anzupassen.

Ingo Busche von Audi beziffert den aktuellen Automatisierungsgrad in großen Teilen der Kabelbaumfertigung und -montage auf lediglich rund zehn Prozent. Im Demonstrator des Projekts wurde dagegen ein deutlich höheres Niveau erreicht: „Wir haben einen Automatisierungsgrad von rund 90 Prozent in Fertigung und Montage erzielt.“

Entscheidend ist dabei nicht allein die Zahl. Möglich wurde dieser Automatisierungsgrad vor allem deshalb, weil das Produkt selbst auf die Anforderungen der Automatisierung ausgelegt wurde. Steckverbinder mussten gut zugänglich sein, Leitungen eine vorhersehbare Führung ermöglichen und die Prozessabläufe eindeutig definiert werden. Genau hier gewinnt das Prinzip „Design for Automation“ an Bedeutung. Die Entwicklung eines Kabelbaums darf nicht erst nach Abschluss der elektrischen Konstruktion an die Fertigung übergeben werden. Automatisierbarkeit muss bereits in der Produktentwicklung berücksichtigt werden.

Diese Einschätzung teilen auch Svenja Müller und Marcella Oberst von TE Connectivity. Sie betrachten die durchgängige End-to-End-Automatisierung von Kabelbäumen als eine der größten Herausforderungen der Branche in den kommenden Jahren. Ihrer Ansicht nach müssen sowohl die Kabelbaumfertigung als auch die Fahrzeugmontage modularer und automatisierungsfreundlicher werden.

Zonale Architekturen könnten die Aufgabe erleichtern

Auch die Fahrzeugarchitektur selbst kann einen wichtigen Beitrag leisten. In klassischen E/E-Architekturen verbinden lange Kabelstränge Komponenten und Steuergeräte über weite Bereiche des Fahrzeugs. Zonale Architekturen verfolgen einen anderen Ansatz: Komponenten werden mit einem nahegelegenen Zonencontroller verbunden, der wiederum in die zentrale Rechnerarchitektur des Fahrzeugs eingebunden ist.

Für den Kabelbaum bedeutet das kürzere Leitungswege und kleinere Teilkabelbäume. Besonders deutlich zeigt sich dies bei BMWs Neue-Klasse-Plattform. Deren zonale Verkabelungsarchitektur reduziert die Kabellänge um rund 600 Meter und senkt das Gewicht des Kabelbaums um etwa 30 Prozent. Zudem unterteilt BMW den Kabelbaum in mehrere Segmente, um die Installation ergonomischer und einfacher zu gestalten. Für die Automatisierung ist das ein wesentlicher Vorteil. Ein kompakter Teilkabelbaum lässt sich deutlich einfacher greifen, transportieren und positionieren als ein großflächiger Kabelsatz, der sich durch nahezu das gesamte Fahrzeug erstreckt. Das übergeordnete Ziel besteht darin, das Electrical Distribution System (EDS) zu vereinfachen. Elektrische Funktionen werden dabei nicht reduziert. Stattdessen wird das Netzwerk aus Leitungen, Steckverbindern und Verteilungspunkten übersichtlicher strukturiert – mit kürzeren Verbindungen, weniger Schnittstellen und besser handhabbaren Modulen.

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Der Roboter braucht auch die richtigen Daten

Die physische Gestaltung des Kabelbaums ist jedoch nur eine Seite der Medaille. Automatisierte Fertigung benötigt ebenso vollständige Informationen über den Zustand jedes einzelnen Produkts. Während der Fertigung entstehen kontinuierlich neue Daten: Kontakte werden gecrimpt, Steckverbinder bestückt, Clips montiert und Prüfungen durchgeführt. All diese Informationen müssen dem jeweiligen Kabelbaum eindeutig zugeordnet bleiben.

Im Projekt Next2OEM wurde deshalb der digitale Zustand des Kabelbaums parallel zum physischen Bauteil durch die gesamte Fertigung mitgeführt. Für einen Mittelkonsolen-Kabelbaum mit lediglich 85 Stücklistenpositionen umfasste der digitale Zwilling rund 3,8 Millionen Knoten sowie 7,5 Millionen Verknüpfungen zwischen Produkt-, Prozess- und Maschinendaten. Dies entspricht einem allgemeinen Trend in der Automobilproduktion. Audi setzt bereits digitale Zwillinge ein, die mit Echtzeitdaten aus der Fabrik verknüpft sind, um Produktionsprozesse transparenter und flexibler zu gestalten.

Der Kabelbaum muss zum Roboter kommen

Der Weg zu höheren Automatisierungsgraden hängt nicht von einer einzelnen Schlüsseltechnologie ab. Roboter werden besser im Umgang mit flexiblen Leitungen, Bildverarbeitungssysteme erkennen Positionen und Abweichungen zunehmend zuverlässiger, und digitale Zwillinge liefern immer mehr Kontextinformationen. Das größte Potenzial liegt jedoch darin, die Aufgabe selbst zu vereinfachen. Dazu gehören kleinere Teilkabelbäume, klar definierte Schnittstellen, automatisierungsfreundliche Steckverbinder und durchgängige digitale Produktdaten. Zonale Architekturen können diesen Wandel zusätzlich unterstützen, sofern sie die physische Komplexität tatsächlich reduzieren.

Der Unterschied zwischen den heute teilweise noch sehr niedrigen Automatisierungsgraden in der Kabelbaumfertigung und den im Next2OEM-Demonstrator erreichten rund 90 Prozent zeigt das vorhandene Potenzial deutlich. Gleichzeitig macht er deutlich, welche Voraussetzung erfüllt sein muss: Der Kabelbaum wird nicht allein dadurch robotertauglich, dass sich der Roboter an ein für menschliche Hände entwickeltes Produkt anpasst. Das Produkt selbst muss konsequent für die automatisierte Fertigung ausgelegt werden.