Fachartikel vom 29.09.2014

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Smarte Lösung - Lasergesinterte Roboterhand aus Polyamid

Leichtbau Roboterhand auf bestehendes Linearhandling aufgesetzt

Michael Krüger, ASS Maschinenbau GmbH

Die Theo Hillers GmbH aus Kall in der Eifel war auf der Suche nach einer Lösung für die Handhabung von Filtersieben und deren Angüssen, angedockt auf ein Angussentnahmegerät (oft auch Angusspicker genannt), für die sensible Pharmaindustrie. Die Aufgabenstellung ließ die standardisierte Automatisierungstechnik hier an ihre Grenzen stoßen: Nutzung des vorhandenen Angusspickers, viele kleine Kavitäten auf engstem Raum, eine Steigerung der Qualität, begrenzter Raum und ein Maximalgewicht der einzusetzenden Roboterhand von circa 500 Gramm, bei gleichzeitiger Reduzierung der Gesamtkomplexität.

Leichtbau Roboterhand aus Polyamid mit kleinen Filtersieben
Leichtbau Roboterhand aus Polyamid mit kleinen Filtersieben
Die ASS Maschinenbau GmbH aus Overath nahm sich der Aufgabenstellung an. Im ASS PA-Forming, einem Selektiven-Laser-Sinter Verfahren (SLS) wurde eine ultraleichte Roboterhand aus Polyamid gefertigt und in das bestehende System integriert. Diese neuartige Leichtbau Roboterhand stellte die optimale Lösung für die Aufgabenstellung dar.

Bei der bisherigen Lösung wurde über einen Angusspicker der Anguss entnommen und die zwölf, beziehungsweise acht Filtersiebe als Fallteile auf ein Förderband abgeworfen. Der hier genutzte Angusspicker wird über ein zweiachsiges Linearhandling mit zusätzlicher Schwenkachse zum Anguss geführt. Um die Qualität der Produkte zu steigern und den Ausschuss zu minimieren durften die Filtersiebe nicht weiterhin als Fallteile behandelt, sondern mussten sauber entnommen und auf einem Förderband abgelegt werden.


Wo klassische Greifer an ihre Grenzen stoßen - Leichtbau aus Polyamid

Für die Umsetzung der Qualitätssteigerung waren zwei Lösungswege möglich:
1. ein komplettes neues Linearhandling mit einer klassischen Entnahme-Roboterhand aus Aluminium
2. eine Spezial-Lösung im Leichtbau um das bestehende Handling weiter zu nutzen

Aus Kostengründen sollte nach Möglichkeit das bestehende Handling weiter genutzt werden. Die Lösung im klassischen Ansatz wurde direkt verworfen: mit Greiferteilen auf Profilrahmen oder in Plattenbauweise bestand im verfügbaren Raum nicht ausreichend Platz, vor Allem aber das maximal handelbare Gewicht von 500 Gramm für die benötigte Anzahl an Kavitäten war mit Aluminium Bauteile nicht realisierbar. Der Schritt zu einer neuartigen Roboterhandlösung bedurfte Pioniergeist und den Mut des Anwenders. Denn im Gegensatz zu den klassischen Roboterhänden aus den aluminiumbasierten Baukastensystemen gab es im Bereich der Leichtbau Roboterhände aus Polyamid kaum praxisbezogene Erfahrungswerte.

Erstes theoretisches 3D-Modell zur Machbarkeitsprüfung
Erstes theoretisches 3D-Modell zur Machbarkeitsprüfung
Bei der Anwendung von Polyamid-Komponenten in der Automation konnte ASS auf viele Erfahrungswerte zurückgreifen: zum Beispiel beim Einsatz von Teilkomponenten aus Polyamid bei Nadelgreifern und Greifzangen, bei Leichtbau Innengreifern und speziellen Konturstücken, sowie bei Parallel- und Foliengreifern. Die Projektierung simulierte ein erstes 3D-Modell anhand der groben Eckdaten. Dieser theoretische 3D-Entwurf ergab, dass die Zielvorgaben mit einer Leichtbau Roboterhand aus Polyamid erreicht werden.

Das Selektive-Laser-Sinter Verfahren (SLS) bot für die gegebenen Rahmenbedingungen den bestmöglichen Lösungsansatz und ermöglichte die weitere Nutzung des vorhandenen Systems beim Kunden. Den Konstrukteuren war somit die größtmögliche Konstruktionsfreiheit gegeben und ermöglichte neue Wege im Bau von Roboterhänden mit komplexen Geometrien.


Test und Optimierung - Konstruktionelle Herausforderungen

3D-Modell der fertig konstruierten Polyamid-Roboterhand
3D-Modell der fertig konstruierten Polyamid-Roboterhand
Die Produkte mussten über ein Vakuum mit Saugern entnommen werden. Daher wurden vor der eigentlichen Konstruktion des Greifers aus Polyamid umfangreiche Tests zur Saugkraftoptimierung durchgeführt: Die Roboterhände mussten über das erzeugte Vakuum acht, beziehungsweise zwölf Kavitäten ansaugen und auch halten können. Die Tests zur Saugkraftoptimierung ergaben, dass die 12-fach Roboterhand vier Luftkreise für je drei Artikel und für die 8-fach Roboterhand vier Luftkreise für je zwei Artikel benötigte. Mit dem erfolgreichen Abschluss der Saugkraftversuche konnte die eigentliche Konstruktion im CAD des Robotergreifers beginnen.

Anhand der erarbeiteten Ergebnisse konnte der Konstrukteur die Luftführungen für die Roboterhände, entsprechend des jeweiligen Bedarfs in die CAD Daten integrieren. Diese innenliegenden Luftführungen boten in der Anwendung den Vorteil, dass kein zusätzliches Gewicht für Luftschläuche anfiel und dass die Roboterhand wesentlich aufgeräumter war. Um weiteres Gewicht einzusparen wurde auf die Messing-Adapter der Saugnäpfe verzichtet und stattdessen die Anbindungen für die Vakuumsauger ebenfalls direkt in die Roboterhände konstruiert. Die integrierten Anbindungen für die Vakuumsauger ermöglichen so einen unkomplizierten Wechsel der Sauger. In der späteren Anwendung reduziert sich die Rüstzeit der Automation dadurch, dass beim Saugerwechsel die Sauger direkt von der Roboterhand gezogen und wieder neue aufgesteckt werden können.

Detailaufnahme des fertigen Polyamid Körpers direkt nach der Entnahme aus der PA-Forming Anlage
Detailaufnahme des fertigen Polyamid Körpers direkt nach der Entnahme aus der PA-Forming Anlage
Die Herausforderung an den Konstrukteur lag nun darin, die Anzahl der Kavitäten, die Luftführungen, die Anbindung an das Linearhandling und die Entnahmevorrichtungen so zu kombinieren, dass die Grenzen von Gewicht und Platz nicht überschritten werden und die Roboterhände zugleich stabil und sicher vor Ermüdungsbrüchen sind. Um der mechanischen Anbindung der Roboterhand an das Handling zusätzliche Stabilität zu bieten wurde hier eine klassische Adapterplatte aus Aluminium genutzt. Die Integration der Adapterplatte an das Bauteil aus Polyamid optimierte die Stabilität. Das Ergebnis des 3D-Modells wurde in der Konstruktionsabteilung vor dem Lasersintern erfolgreich einer Belastungsanalyse unterworfen.

Nach erfolgreich bestandenen Tests wurde das fertige 3D-Modell über Nacht im Selektiven-Laser-Sinter Verfahren auf der PA-Forming Anlage gefertigt. Nach der Entnahme und die Reinigung vom Polyamid Pulver am folgenden Morgen wurden Vakuumsauger, Anschlüsse für die Luftzuführung und Greifzange montiert. Die Fertigstellung einer solchen Polyamid-Roboterhand ist nach erfolgreicher Konstruktion und je nach Komplexität quasi über Nacht möglich.

Fertig lackierte und montierte Leichtbau-Roboterhände aus Polyamid
Fertig lackierte und montierte Leichtbau-Roboterhände aus Polyamid
Die hier dargestellte 12-fach Roboterhand wurde auf der Laser-Sinter Anlage ebenfalls über Nacht gefertigt. Das fertige Polyamidbauteil wurde nachdem es ausgekühlt und gereinigt war zusätzlich noch schwarz lackiert. Im Anschluss konnten die 12 Vakuumsauger, die Greifzange und die benötigten Anschlusskomponenten montiert werden: Die fertige Leichtbau Roboterhand ist bereit zur Inbetriebnahme.

Unkonventionelle Roboterhände – Eckdaten des Ergebnisses

Für die erste Anwendung wurde eine Leichtbau Roboterhand aus Polyamid in Form eines Sternes gefertigt. Der Greifer verfügt über 12 Vakuumsauger und eine Greifzange. Die Sauger sorgen dafür, dass die bisherigen Fallteile nun sauber auf einem Förderband abgelegt werden und die Greifzange entnimmt den Anguss der Filtersiebe.

Die Luftführungen für die 12 Vakuumsauger und die Greifzange sind innenliegend in der Roboterhand integriert, ebenso wie die Adapter für die Sauger. Bei einem Durchmesser von fast 250 mm und einer Bauhöhe von etwa 110 mm wiegt die Roboterhand aus Polyamid weniger als 400 Gramm und konnte so problemlos mit der Greifzange für den Anguss ergänzt werden. Für die zweite Anwendung wurde eine 480 Gramm leichte Roboterhand mit einer rippenförmigen Greifergeometrie gefertigt. Die Abmessungen hier betragen 240 mm in der Höhe, 150 mm in der Breite und 150 mm in der Tiefe. Die Roboterhand ist mit acht Vakuumsaugern, innenliegenden Luftkanälen und integrierten Saugeradaptern ausgestattet.


Erfolgreiche Inbetriebnahme – Mit Leichtigkeit greifen

ASS Polyamid Roboterhand in der Spritzgussmaschine der Theo Hillers GmbH
ASS Polyamid Roboterhand in der Spritzgussmaschine der Theo Hillers GmbH
Der mutige Schritt zur individuellen Leichtbau Roboterhand wurde belohnt. Die neuartigen Roboterhände erfüllten die engen Rahmenbedingungen an Abmessungen und Gewicht und wurden erfolgreich in Betrieb genommen.

Mit diesen sehr leichten und kompakten Bauweisen der Roboterhände wurde die Prozesssicherheit gesteigert: Die Greifer reduzieren den Ausschuss der Produkte, da diese nun im Arbeitsablauf nicht mehr als Fallteile ausgeworfen, sondern auf dem Förderband abgelegt werden und so einer geringeren Verschmutzung ausgesetzt sind. „Bereits unmittelbar nach Inbetriebnahme der lasergesinterten Roboterhand konnten ablagebedingte Fehler an den Filtersieben nicht mehr beobachtet werden“. Herr Tobias Klinkhammer, Leiter Spritzgießfertigung der Theo Hillers GmbH lobt die erfolgreiche Inbetriebnahme der Roboterhand: „Diese Lösung abseits der konventionellen Systeme aus Aluminiumprofilen hat unsere Erwartungen im Handling und unser Ziel, den Ausschuss zu reduzieren erfüllt.“

Tobias Klinkhammer von der Theo Hillers GmbH (links) und Sascha Fendel von der ASS Maschinenbau GmbH präsentieren die fertige Roboterhand
Tobias Klinkhammer von der Theo Hillers GmbH (links) und Sascha Fendel von der ASS Maschinenbau GmbH präsentieren die fertige Roboterhand
„Wir freuen uns, dass wir gemeinsam diesen neuen Weg im Greiferbau gegangen sind und den Mut aufgebracht haben, diese unkonventionelle Lösung umzusetzen“, so Sascha Fendel, zuständiger Projektbetreuer der ASS Maschinenbau GmbH. „Der erfolgreiche Einsatz der Leichtbau Roboterhände zeigt, dass für besondere Anforderungen auch besondere Lösungen benötigt werden und diese auch realisierbar sind“, ergänzt Reinhold Ziewers, Geschäftsführer der ASS Maschinenbau GmbH.

Neben den technischen Aspekten für die bedarfsoptimierte Automationslösung sind die lackierten Leichtbau Roboterhände durch ihren unkonventionellen Aufbau auch optisch einen Hingucker.




Fazit – Neue Wege in der Automationstechnologie

Bei den von der ASS Maschinenbau GmbH durchgeführten Projekten für die Theo Hillers GmbH zeigte sich, dass für Projekte mit besonderen konstruktiven Rahmenbedingungen und der Notwendigkeit von gewichtsreduzierten Elementen die lasergesinterten Roboterhände (ASS PA-Forming) die passende Lösung und Ergänzung zu bekannten Roboterhand-Lösungen aus Aluminium sind: Greiferteile und komplette Roboterhände werden mit Hilfe der Laser-Sinter Technologie (SLS) exakt auf die technischen Erfordernisse für die Handhabung abgestimmt. Auf Basis von CAD Daten der Konstrukteure werden die benötigten Komponenten aus Polyamid hergestellt. Ein zusätzlicher Vorteil ist die ökonomische Produktion, da die Greifer ohne Werkzeuge gebaut werden. Dem Anwender wird so zeitnah eine Lösung bereitgestellt. Die Komplexität des Polyamidbauteils hat keinen Einfluss auf die Fertigungskosten.

Schematische Darstellung des Selektiven-Laser-Sinter Verfahrens (SLS)
Schematische Darstellung des Selektiven-Laser-Sinter Verfahrens (SLS)
Die Laser-Sinter Technologie bietet neue Wege in der Automationstechnologie: Sie verschafft Konstrukteuren bisher ungeahnte Freiheiten in der Entwicklung neuer Bauteile. Durch die Möglichkeit der komprimierten Baugröße und das niedrige Eigengewicht der Greifer lassen sich Funktionen auf geringstem Raum darstellen. Zudem können produktionsrelevante Funktionen integriert werden, die beispielsweise den Einsatz beweglicher Innengreifer zulassen oder den Einsatz von Luftschläuchen minimieren.

Technische Darstellung - Selektives-Laser-Sinter SLS:
  • Material: Polyamid 12 Pulver
  • Vorlagen: alle gängigen 3D-Programme
  • Abmessungen bis 300 x 300 x 620 mm


Infokasten: Vergleich zum herkömmlichen Greiferbau

Polyamid LeichtbauKlassische Bauweise aus Aluminium
Hauptwerkstoff: Polyamid 12Komponenten aus eloxiertem Aluminium
Gewicht der Polyamidroboterhand nur etwa 420 gGesamtgewicht circa 3-4 kg
wenige Bauteile minimieren Fertigungs- und Montagezeithöherer Fertigungs- und Montageaufwand durch eine höhere Anzahl an Greiferkomponenten bei vielen Kavitäten
Roboterhand durch individuelle Konstruktion etwas teurer als die klassische Bauweise Konstruktion durch standardisierten Roboterhandbaukasten günstiger
vollständige Individualisierung möglich, da losgelöst von allen Konstruktionsstandardshohe Individualisierung möglich, aber in einzelnen Fällen durch Vorgaben in Raum und Gewicht begrenzt


Infokasten: ASS PA-Forming (Selektives Laser Sinter SLS):

  • sehr geringes Eigengewicht des Polyamids
  • Kombination vieler Funktionen auf engstem Raum
  • Integration von innenliegenden Luftführungen oder Vakuumkanälen
  • Möglichkeit der Integration von funktionellen Komponenten, wie zum Beispiel bewegliche Innengreifer oder Rippenstrukturen
  • Zeit- und Kostenersparnis bei der Produktion des Greifers
  • Produkt kann direkt aus CAD Daten gefertigt werden
  • große geometrische Gestaltungsfreiheit
  • multifunktionale Anwendungen, die mit Standardkomponenten nicht möglich sind
  • Kombination von mechanischem und vakuumtechnischem Greifen mit entsprechender Sensorik
  • Klassischer Prototypenbau


ASS Maschinenbau GmbH

Klef 2
51491 Overath, Deutschland

Tel.:   +49 (0) 2206 90547-0
Fax:   +49 (0) 2206 90547-91
Email: m.krueger@ass-maschinenbau.de

Internet: www.ass-automation.com


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