Additive Fertigung

Amorphe Metalle führen die Robotik in die Zukunft

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Deshalb ist der Einsatz amorpher Metalle wirtschaftlich

Experten schätzen, dass hochpräzise Zahnräder mindestens die Hälfte der Kosten eines Roboterarms ausmachen, weil deren Herstellung aus Stahl sehr aufwendig ist. „Amorphe Metalle lassen sich dagegen mit hoher Qualität kosteneffizient und endkonturnah spritzgießen. Aufgrund ihrer harten, glatten Oberfläche halten sie auch ohne Schmierung lange durch“, erklärt Valeska Melde Head of Marketing & Sales bei Heraeus Amloy. Erste Tests bei der NASA haben etwa bei Getrieben ein reibungsfreies Drehen ohne Schmiermittel bewiesen, das sogar noch bei -200 °C vorhanden war. Das ist insbesondere für den zuverlässigen und langlebigen Einsatz von modularen und missionsspezifischen Komponenten im All essenziell.

Bliak auf eine Reihe von Leichtbau-Zahnrädern aus amorphen Legierungen, die für Roboter nutzbar sind. Sie können endkonturnah spritzgegossen werden, weshalb sie weit weniger kosten als ihre Pendants aus Stahl.
Bliak auf eine Reihe von Leichtbau-Zahnrädern aus amorphen Legierungen, die für Roboter nutzbar sind. Sie können endkonturnah spritzgegossen werden, weshalb sie weit weniger kosten als ihre Pendants aus Stahl.
(Bild: Heraeus AMLOY Technologies )

Wesentlich für das präzise Positionieren eines Roboters ist eine sogenannte Flexspline in seinem Handgelenk. Diese schwierigste und, wenn auch noch aufwendig aus Stahl zu fräsen, teuerste Getriebekomponente ist eine dünnwandige, sehr flexible Schale mit gezahntem Rand. Es ist ein Dehnungswellengetriebe, welches das zügige Drehmoment eines Motors in eine präzise und kraftvolle Bewegung umwandelt. Aufgrund des geringeren Spiels, vermeidet es Positionierfehler und Übersetzungsverluste. Das Spritzgießen einer Flexspline aus amorphen Metallen bringt große Vorteile. „Die präzise Herstellung erklärt sich zum Beispiel, weil die Schmelze die Werkzeugoberfläche hervorragend abbilden kann. Die hohe Verschleißfestigkeit – und damit Langlebigkeit – der erstarrten Komponenten bringt kosten- und leistungsmäßige Pluspunkte im Vergleich zu konventionellem Stahl“, führt Melde weiter aus.

Unter den extremen Bedingungen in Luft, Weltraum und Tiefsee zeigen sich die amorphen Metalle als Allrounder. Vor allen durch ihre einzigartige Elastizität, die sogar Funktionserweiterungen gestattet. Und zu verbessern gibt es in der Robotik stets eine Menge, was Getriebebauteile, Kupplungen, Federelemente, Antriebe betrifft und im Bereich der EOATs insbesondere auch intelligente Greifer.

Dazu bieten die Möglichkeiten von 3D-Druck und Spritzguss amorpher Legierungen eine präzise Miniaturisierung, gepaart mit viel Designfreiheit.

Die außergewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit (bis zu 1,6 Gigapascal Zugfestigkeit) und hoher Elastizität (bis zu 2 Prozent) kann viele Konstruktionsprobleme bereits heute lösen. Speziell elastische Maschinenelemente wie Festkörpergelenke und Greifereinheiten profitieren von der guten Dauerfestigkeit und der hohen Verschleißbeständigkeit amorpher Legierungen und bringen eine hohe, wartungsfreie Lebensdauer mit sich.

Ein per 3D-Druck gefertigtes Festkörpergelenk aus amorphem Metall. Es kann etwa in Greifergelenken eingesetzt werden. Es punktet mit seiner hohen Verschleißfestigkeit und Lebensdauer.
Ein per 3D-Druck gefertigtes Festkörpergelenk aus amorphem Metall. Es kann etwa in Greifergelenken eingesetzt werden. Es punktet mit seiner hohen Verschleißfestigkeit und Lebensdauer.
(Bild: Heraeus AMLOY Technologies )

„Und weil amorphe Legierungen beim Dehnen unter gleicher Last wie ein konventioneller Edelstahl die ungefähr doppelte Auslenkung haben, können sie gleichzeitig als sehr genaue Sensormembran fungieren“, merkt die Spezialistin an. Doch das ist nicht alles, denn amorphe Metalle erreichen durch ihren geringen E-Modul eine hohe und präzise Auslenkung. Bei der Konstruktion von Sensoren erlaubt dieses Material dann um bis zu 20 Prozent kleinere, leichtere Konstruktionen unter gleicher Last und Genauigkeit. Mit amorphen Legierungen werden etwa Sensorkomponenten präziser, sensitiver und unempfindlicher gegen den Angriff aggressive Medien.

Das sind aus amorphen Metalllegierungen endkonturnah gefertigte Membranscheiben, die in Druck- und Kraftsensoren ihren Einsatz finden.
Das sind aus amorphen Metalllegierungen endkonturnah gefertigte Membranscheiben, die in Druck- und Kraftsensoren ihren Einsatz finden.
(Bild: Heraeus AMLOY Technologies )

Amorphe Metalle in der Roboterforschung

Die Antriebe für Roboter verlangen darüber hinaus zuverlässige Schutzgehäuse für deren Elektromotoren. Dazu benötigt man magnetisch hochpermeable, sehr feste Werkstoffe, mit möglichst geringem Einfluss auf das magnetische Feld, das der Elektromotor in Aktion erzeugt. Amorphe Metalle auf Zirkoniumbasis verursachen, weil sie leicht diamagnetisch sind, aber keinen Leistungsabfall des Motors. „Unsere amorphen Legierungen zeichnen sich zudem durch eine sehr geringe Koerzitivfeldstärke (Hc ~ 0) aus. Sie zeigen mit ihrer Permeabilität von etwa eins kaum Wechselwirkungen mit Magnetfeldern“, bestätigt Melde.

Wichtig bei Robotern ist die Funktionalität ihrer Gelenke, die durch optimierte Federelemente, Kupplungen et cetera erreicht wird. Ein Beispiel ist hier eine Torsionsfeder aus dem Schultergelenk des NASA-JSC-Roboter Valkyrie (Johnson Space Center). Valkyrie ist für den Einsatz bei Katastrophen entwickelt und für Aufgaben in der bemannten Raumfahrt. Dazu muss er sich auch auf unebenem Boden sicher bewegen und präzise agieren können. Ähnliche Torsionsfedern aus amorphem Metall erprobt Heraeus Amloy momentan übrigens für einen Inspektionsroboter.

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