Der überraschend manuelle Prozess der Herstellung von Kfz-Kabelbäumen

Schon seit den Anfängen des Automobilzeitalters waren Autos und Lastkraftwagen Hybride aus mechanischer und elektrischer Konstruktion. Für jeden Kolben, der in einem Zylinder auf und ab gleitet, gibt es eine Zündkerze, die genau zum richtigen Zeitpunkt gezündet werden muss, damit der Motor funktioniert. Wenn Sie auf das Bremspedal treten, sollten besser gleichzeitig die Bremslichter aufleuchten Der hydraulische Druck klemmt die Radrotoren zwischen den Bremsbelägen.

Ohne elektrische Anschlüsse ist ein brauchbares Kraftfahrzeug praktisch unmöglich. Schon lange bevor Elektrizität zum bevorzugten Kraftstoff für Fahrzeuge wurde, wurden die Kabel, die die Computer, Sensoren, Aktoren und Anzeigen verbinden, die für den Betrieb der Fahrzeugsysteme erforderlich sind, von Jahr zu Jahr komplizierter. Nach dem Motor und dem Rahmen sind die Verkabelung und die Elektronik eines Autos die drittteuerste Komponente, und es wird geschätzt, dass bis 2030 die Hälfte der durchschnittlichen Kosten eines Fahrzeugs auf das elektrische System entfallen wird, gegenüber 30 % im Jahr 2010.

Die Aufgabe der Kabelbäume eines Fahrzeugs besteht darin, sicherzustellen, dass alle diese Signale dort ankommen, wo sie hingehen, und zwar auf sichere und zuverlässige Weise. Dabei handelt es sich um die Kabelbündel, die scheinbar jeden möglichen Bereich eines modernen Autos einnehmen. Die Konstruktion und Herstellung von Kabelbäumen ist ein komplexer Prozess, der auf spezialisierter Software, einem gewissen Grad an Automatisierung und überraschend viel Personaleinsatz beruht.

Die Idee zu diesem Artikel entstand aus einem Gespräch, das ich mit Elliot Williams führte, und einer beiläufigen Erwähnung eines Gesprächs, das er mit einem Ingenieur geführt hatte, der Software für die Konstruktion von Autokabelbäumen entwickelt. Mein erster Gedanke war: „Gibt es dafür eine Software?“ worauf schnell folgte: „Natürlich gibt es dafür Software!“. Die für den Betrieb eines modernen Fahrzeugs erforderliche Verkabelung kann nicht spontan vorgenommen werden – Kabelbäume sind hochentwickelt, um sowohl den Anforderungen gerecht zu werden, die elektrisch an sie gestellt werden, als auch mechanisch so konstruiert zu sein, dass sie nicht nur in den verfügbaren Raum passen, sondern auch Sie überstehen die Strapazen eines vielleicht jahrzehntelangen Einsatzes unter anspruchsvollen Umweltbedingungen.

Kabelbäume müssen auch als separate Komponenten herstellbar sein. Bei der Herstellung von Pkw und Lkw handelt es sich immer mehr nur noch um einen Endmontageprozess, bei dem Arbeiter Teile, die von Vertragsherstellern hergestellt wurden, in den Rahmen eines Fahrzeugs einbauen, während dieses über die Fertigungsstraße rollt. Und tatsächlich gehören Kabelbäume zu den allerersten Komponenten, die dem entstehenden Fahrzeug hinzugefügt werden, was sowohl ihre Bedeutung für das fertige Produkt beweist als auch erklärt, wie schwierig es sein kann, auf einige von ihnen zuzugreifen, wenn sie später gewartet werden müssen .

Der Entwurf eines Kabelbaums beginnt im Wesentlichen so, wie jeder komplexe Schaltungsentwurf beginnt: mit einem Schaltplan. In den meisten modernen Fahrzeugen kommuniziert so ziemlich alles mit einem oder mehreren von vielleicht Dutzenden elektronischen Steuermodulen, die über das Fahrzeug verteilt sind, um alles zu steuern, vom Zündzeitpunkt und der Kraftstoffeinspritzung bis hin zu HVAC-Steuerungen und Einstellungen des Infotainmentsystems. Für jedes ECM müssen Kabelbäume entworfen werden, um Strom- und Datenverbindungen zu jedem Sensor und Aktor bereitzustellen. Dabei ist die Dimensionierung des Kabels für die Last zu berücksichtigen, geeignete Erdungsverbindungen bereitzustellen und sicherzustellen, dass die richtigen Anschlüsse verwendet werden.

Während der anfängliche Entwurfsprozess eines Kabelbaums mehr oder weniger standardmäßige EDA-Tools verwenden kann, muss die zweidimensionale schematische Darstellung des Kabelbaums schließlich in die dreidimensionale Struktur des Fahrzeugs übersetzt werden. Für diese Aufgabe werden speziellere EDA- und CAD-Tools eingesetzt. Ein großer Player auf dieser Welt scheint CATIA von Dassault Systèmes zu sein, das über die erforderlichen Tools verfügt, um nicht nur den 2D-Schaltplan zu erstellen, sondern ihn auch in den 3D-Raum eines Fahrzeugchassis zu übertragen. Mit diesen Werkzeugen kann der Designer Kabelbündel erstellen, Anschlüsse hinzufügen, Abzweigungen vom Hauptbündel definieren, die Pfade festlegen, über die jedes Bündel verlegt wird, und nach Konflikten zwischen dem Kabelbaum und der restlichen Fahrzeugstruktur suchen . Sie ermöglichen es dem Konstrukteur auch, festzulegen, wie die Kabel gebündelt werden sollen – zum Beispiel mit Klebeband oder Kabelbaum – und wo und wie der Kabelbaum am Fahrzeug befestigt wird.

Die physische Fixierung des Gurtzeugs wirft einen weiteren wichtigen Designaspekt auf: den Spielraum. Es ist von entscheidender Bedeutung, in jedes Bündel und jeden Zweig eines Kabelbaums den richtigen Spielraum einzubauen. Zu viel Spiel ist Verschwendung, sowohl im Hinblick auf den Kupferbedarf für den zusätzlichen Draht als auch im Hinblick auf eine geringere Kraftstoffeffizienz aufgrund des zusätzlichen Gewichts. Übermäßiger Spielraum kann auch zu physischen Schäden am Gurt führen, da der Gurt an der Fahrzeugkarosserie oder den Rahmenelementen abrieb, sich an Hindernissen auf der Straße verfängt oder sogar darauf tritt. Unzureichender Spielraum ist ebenfalls ein Problem – Kabel, die nicht über ein gewisses Maß an Nachgiebigkeit verfügen, können sich dehnen und brechen, wenn sich der Fahrzeugrahmen verdreht und biegt, und zu straffe Kabel können es schwierig machen, Steckverbinder für Reparaturen zu lösen. Kabelbaum-EDA-Tools sind in der Lage, den richtigen Durchhang für ein Bündel zu berechnen und Niederhalter und Fesseln an der richtigen Stelle zu platzieren, um sicherzustellen, dass sich die Drähte gerade ausreichend, aber nicht zu stark biegen.

Sobald das 3D-Modell des Gurtzeugs fertiggestellt ist, muss der Entwurf in etwas umgesetzt werden, das hergestellt werden kann. Und da die wichtigsten Herstellungsmethoden für Kabelbäume alle auf der Verwendung von Nagelbrettern basieren – mehr dazu weiter unten – muss der sorgfältige 3D-Entwurf wieder in eine 2D-Zeichnung umgewandelt werden. CATIA verfügt über automatisierte Werkzeuge zum Abflachen. Das Endergebnis ist eine 2D-Zeichnung, die genau angibt, wohin jeder Draht in einem Bündel führt, an welchem ​​Pin in welchem ​​Stecker er endet und wo und welche Art von Zubehör, wie Halteklammern und Tüllen , Kabelbinder oder Scheuerschutzhülsen kommen hinzu. Das Ergebnis des Abflachungsprozesses stellt einen vollständigen Satz von Arbeitsanweisungen dar, die an einen Vertragshersteller gesendet werden können.

Da nahezu die gesamte Fertigung inzwischen automatisiert ist, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, wo Produktionsmengen von Hunderttausenden keine Seltenheit sind, könnte man meinen, dass die Herstellung von Kabelbäumen vollständig automatisiert werden muss. Denn wie kann von einem Auftragsfertiger erwartet werden, dass er mit der Menge an Kabelbäumen Schritt hält, die ein modernes Automobilwerk benötigt, insbesondere mit Lean-Methoden und Just-in-Time-Produktion? Sicherlich muss es riesige CNC-Maschinen geben, die die Arbeitsanweisungen verwenden, um Drähte abzuspulen und sie alle zu bündeln – oder?

Falsch. Nach der Entwurfsphase ist fast die gesamte Kabelbaumfertigung ein reines Hands-on-Unternehmen. Es stellt sich heraus, dass die menschliche Geschicklichkeit und die Auge-Hand-Koordination mit Robotern kaum zu vergleichen sind. In Kabelbaumfabriken sind Tausende von Arbeitern beschäftigt, die fast jedes Teil eines Kabelbaums von Hand zusammenbauen. Ja, es gibt Werkzeuge, die helfen, aber die meisten davon werden zum Schneiden, Abisolieren, Anschließen und Aufwickeln von Drähten verwendet, die schließlich von den menschlichen Arbeitern verwendet werden, um einen Kabelbaum nach dem anderen zu konstruieren.

Die traditionelle Art, einen Kabelbaum zu bauen, ist die auf einem Nagelbrett. Dies wird auch als Formbrett oder Kabelbaumbrett bezeichnet und ist im Wesentlichen eine große ebene Fläche, an der verschiedene Vorrichtungen zum vorübergehenden Halten von Drähten und Anschlüssen angebracht sind. Die Befestigungen sind so angeordnet, dass sie das abgeflachte Design des Kabelbaums widerspiegeln, und auf der Platine sind Anweisungen aufgedruckt, die zeigen, welche Drähte wohin verlegt werden müssen. Bretter werden normalerweise vertikal bearbeitet und leicht nach hinten geneigt, um zu verhindern, dass die Drähte abfallen, bevor sie befestigt werden.

Ein einziger Arbeiter fertigt selten einen ganzen Kabelbaum. Stattdessen wird eine Kette identischer Nagelbretter auf einem angetriebenen Karussell durch die Fabrikhalle geschlungen und bewegt sich langsam und ständig von einem Arbeiter zum nächsten. Jeder Arbeiter fügt dem wachsenden Kabelbaum einen bestimmten Satz Drähte hinzu, bevor die Platine zum nächsten Arbeiter mit anderen Aufgaben weitergeht. Zusätzlich zum Verlegen von Drähten sind einige Arbeiter dafür verantwortlich, Bündel mit Kabelbindern zu sichern, Schutzhüllen anzubringen oder die Teile des Bündels mit Klebeband zu umwickeln.

Es sind diese feinmotorischen Fähigkeiten, die eine vollständige Automatisierung der Kabelbaumfertigung zu einem schwierigen Unterfangen machen. Das Einfädeln von Drähten durch ein Stück Kunststoffdraht ist für die meisten Menschen eine triviale Aufgabe, es wäre jedoch schwierig, einen Roboter dafür zu bauen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass dies vor allem deshalb zutrifft, weil es viele Menschen gibt, die bereit sind, solche Arbeiten für relativ niedrige Löhne zu verrichten. Unternehmen wie Yazaki, das derzeit etwa 30 % des globalen Marktes für die Kabelbaumproduktion ausmacht, beschäftigen Hunderttausende Menschen auf der ganzen Welt, insbesondere in Entwicklungsregionen. Die wirtschaftlichen Kräfte befürworten derzeit die Fortsetzung dieses Modells, aber wie wir immer wieder gesehen haben, möchte letztendlich jeder die Dinge kaufen können, die er für andere Menschen herstellt, also das Angebot an Arbeitskräften, die bereit sind, diese Art von Arbeit zu verrichten für niedrige Löhne ist begrenzt. Dann ist es vielleicht sinnvoll, in die vollständige Automatisierung der Kabelbaum-Produktionskette zu investieren.