Produktentwicklung Energie für Roboter-Akrobaten

Sie bewegen sich so schnell, dass das Auge kaum mitkommt: Scara-Roboter, die Pick-and-place- oder Montageaufgaben übernehmen. Doch diese Akrobatik hat ihren Preis: Klassische Energieführungen verschleißen schnell. Igus hat deswegen eine langlebige Alternative entwickelt. Ein Blick über die Schulter zeigt den Entwicklungsprozess.

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Einem Scara-Roboter in der Industrie zuzusehen kann Schwindel verursachen. Die horizontalen Gelenkarmroboter, ähnlich aufgebaut wie der Arm eines Menschen, arbeitet rasant über vier Achsen. Innerer und äußerer Arm schwenken horizontal. Das Bauteil zum Greifen von Objekten, die sogenannte Kugelrollspindel, bewegt sich rotatorisch und linear.

Somit erreicht der Roboterarm nahezu jeden Punkt in seinem Arbeitsradius. Und das in rasendem Tempo. Ein Pick-and-place-Zyklus beispielsweise, bei dem der Roboter ein Bauteil greift, transportiert und ablegt, dauert im besten Fall nur rund eine Drittelsekunde. Eine schnelle und präzise Akrobatik, die allerdings eine Schattenseite hat.

Welche, das zeigt ein Automobilhersteller aus dem Schwabenland, der sich mit einem Problem Igus gewandt hat, ein Spezialist für bewegte Kunststoffteile und Energieführungen aus Köln. Beim Hersteller arbeiten 40 Scara-Roboter in einer Produktionsstraße – so schnell, dass die mechanischen Arbeiter schnell verschleißen und viel Wartungsarbeit nötig ist.

„Die Roboter bewegen sich im 24/7-Dauerbetrieb mit Arbeitsgeschwindigkeiten von bis zu 2.000 Millimetern pro Sekunde in der horizontalen Ebene“, erklärt Matthias Meyer, Leiter Geschäftsbereich ECS Triflex & Robotics bei Igus. „Für den Kunden war es eine jährliche Routine, die Energieleitungen und Schläuche der Scara-Roboter zu prüfen und meist aufgrund von Verschleiß ersetzen zu müssen. Entsprechend dringend suchte der Automobilhersteller nach einer Alternative.“

Das Ziel: die Lebensdauer der Energieführung verdreifachen

Das Ziel war ehrgeizig. Er wollte die Lebensdauer der Anbindungen mindestens verdreifachen. Der erste Schritt auf dem Weg dorthin war vergleichsweise einfach: Igus verstärkte den Wellschlauch, in dem sich Energieleitungen und Schläuche bewegen, mit einem Produkt namens E-Rib – eine Art Skelett aus Hochleistungskunststoff, das sich in die Rillen des Schlauches setzt, sodass er sich nur noch in eine Raumrichtung bewegen kann. Anstatt hin- und herzuschlackern, ist der Schlauch stabilisierter.

Verstärkt wurden zudem die vorderen und hinteren Anbindungspunkte mit zwei Stützen aus Kunststoff, die mit Kabelbindern an die Schläuche montiert sind. In Kombination mit der E-Rib ist der Schlauch somit stabil genug, um auch bei schnellen Bewegungen nicht abzuknicken.

Eine dritte Verbesserung hat sich der Automobilhersteller selbst einfallen lassen. „Um der Motorik eines Scara-Roboters folgen zu können, müssen die Schlauchanbindungen an beiden Enden drehbar gelagert sein. Der Kunde hat hier eine Drehanbindung aus Metall gefertigt. Mit Erfolg: Das gesamte System ist seit 2017 mit rund 6,8 Millionen Zyklen im Jahr ohne einen Austausch im Einsatz“, sagt Meyer. „Wir bei Igus waren von dieser Kombination so überzeugt, dass wir uns das Ziel gesetzt haben, alle Komponenten zu einer serientauglichen Energieführung für Scara-Roboter weiterzuentwickeln.“

3D-Drucker beschleunigen Prototypenbau

Zu Anfang der Entwicklung musste der Kunststoffspezialist sein Testlabor in Köln mit passendem Equipment ausstatten – unter anderem mit einem Scara-Roboter. Hersteller Epson Deutschland erklärte sich bereit, ein Modell der G6-Serie zu Testzwecken zur Verfügung zu stellen. Somit konnten sich die Entwickler der ersten Herausforderung annehmen: der Fertigung einer kugelgelagerten Drehanbindung.

Hier kommt eine Besonderheit von Igus ins Spiel. Das Unternehmen ersetzt – wann immer es geht – Metall durch leichte Hochleistungskunststoffe, die auf minimale Reibung und Verschleiß ausgelegt sind und somit Antriebsenergie einsparen helfen. Die Experten sprechen von einer tribologischen Optimierung.

Zudem hat der Betrieb in 3D-Drucker investiert, um für Kunden Prototypen und Ersatzteile zu drucken – jenseits des Spritzgussgeschäfts, das die aufwendige und kostenintensive Fertigung von Spritzgusswerkzeugen mit sich bringt. „Es lag nahe, die Drehanbindung vom 3D-Drucker aus Hochleistungskunststoff fertigen zu lassen und anschließend Metallkugeln einzusetzen“, unterstreicht Meyer. „Zu diesem Zeitpunkt des Entwicklungsstadiums ist der 3D-Druck in Sachen Zeit- und Kostenersparnis einfach unschlagbar.“ Gesagt, getan. Die Entwickler begannen mit Tests, druckten Drehanbindungen mit unterschiedlichen Filamenten.

Und widmeten sich schließlich der nächsten Herausforderung: eine Halterung für die Drehanbindung zu entwickeln. „Es war uns wichtig, dass es während des Betriebs des Roboters zu keiner Verwindung der Leitungsführung kommt. Wir haben deshalb den Anbindungspunkt über einen Bügel ins Zentrum der Drehachse gerückt.“

Tests mit 900 Zyklen pro Stunde

Nach Wochen des Tüftelns begann die Testphase. In einem Schutzkäfig bewegte sich der Epson-Scara-Roboter mit Höchstgeschwindigkeit. Zunächst sah alles gut aus. Doch nach wenigen Minuten folgte die Ernüchterung. „Die 3D-gefertigte Drehanbindung und das integrierte Kugellager hielten den Belastungen nicht stand“, berichtet Meyer. „Um die Axialkräfte abzufangen, wurden deshalb zwei Standard-Kugellager der Igus Serie Xiros übereinander in die Außenschale eingepresst. Wir haben das Design der Anbindung zudem noch kompakter gestaltet, um Hebelkräfte zu reduzieren. Das Steck-und-schraub-Prinzip dieses Designs macht es möglich, auf Kabelbinder zu verzichten.“

Die Ingenieure begannen schließlich mit den nächsten Tests. Der Roboter absolvierte 900 Zyklen pro Stunde, 20.000 Zyklen pro Tag, beladen mit einer Chainflex Steuerleitung und zwei Schläuchen mit Durchmessern von 4 bis 6 mm. „Die Tests zeigten uns, dass die Konstruktion alltagstauglich ist, sodass wir die Markteinführung vornehmen konnten“, so Matthias Meyer.

Die neue Scara Cable Solution ist entweder als Leerrohr oder auch direkt mit Leitungen konfektioniert erhältlich. „Damit haben wir ein Produkt entwickelt, das die Lebensdauer der Energieführung am Roboter verlängert und Stillstandszeiten eliminiert. Im nächsten Schritt möchten wir nun die Lösung an die Anbindungspunkte anderer Hersteller anpassen“, berichtet Meyer abschließend. (in)