Additive Fertigung Amorphe Metalle führen die Robotik in die Zukunft

Ein Gastbeitrag von Nail Akrouti

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Wenn es in puncto Roboteranwendungen extrem wird, wie etwa im Weltraum, hilft eine besondere Materialklasse – amorphe Legierungen respektive Metalle. Wie das geht, weiß Heraeus Amloy Technologies.

Liest man sich die Liste der Anforderungen durch, die an die Roboter der Zukunft gestellt werden, stellen nicht nur Experten schnell fest, dass diese mit herkömmlichen Werkstoffen und Fertigungsmethoden nur schwer zu erfüllen sind. Setzt man aber auf amorphe Metalle, kann es klappen.
Liest man sich die Liste der Anforderungen durch, die an die Roboter der Zukunft gestellt werden, stellen nicht nur Experten schnell fest, dass diese mit herkömmlichen Werkstoffen und Fertigungsmethoden nur schwer zu erfüllen sind. Setzt man aber auf amorphe Metalle, kann es klappen.
(Bild: Monstar Studio - stock.adobe.com )

Für die Robotik der Zukunft sind die Entwicklungsziele anspruchsvoll und weit gesteckt. „Bisher sind Roboter für den Weltraum missionsspezifisch aufgebaut. Die Forschung entwickelt nun modulare Komponenten für anwendungsspezifisch konfigurierbare Weltraumroboter“, berichtet Professor Frank Kirchner von der DFKI GmbH, Robotics Innovation Center Weltraum. Dabei müssen die Robots möglichst leicht sein, extreme Temperaturschwankungen bis 200 °C überstehen können und eine harte Partikelstrahlung aushalten.

Im Gegensatz zu den Belastungen im All sind Temperaturschwankungen im Meer wieder weniger ein Problem. „In dieser Umgebung erfordert der hohe Druck eine druckneutrale Konstruktion. Man braucht aber auch Druckkörper, um kritische Komponenten einzukapseln. Dazu kommt die starke Korrosion“, fasst Kirchner zusammen. Weil im Meer zum Beispiel auch noch sehr viel Munitionsaltlasten zu bergen sind, benötigt man dafür Roboter mit sehr viel Fingerspitzengefühl. „Dieses Fingerspitzengefühl brauchen aber nicht nur die Roboter sondern auch die auch Pick-and-Place-Einheiten für miniaturisierte Komponenten und sogar Agrarroboter zur Ernte von Obst und Gemüse. Und auch Roboter im All benötigen sie, um Satelliten zu greifen und zu reparieren“, ergänzt der Experte.

Und auf der Erdoberfläche bringen mobile Roboter in der Smart-Factory Komponenten zuverlässig und just in time zu den Montagestationen, damit die Produktion möglichst flexibel wird. Cobots (collaborative robots) arbeiten bekanntlich gefahrlos mit dem Menschen Hand in Hand zusammen. Aber um die zukünftigen Anforderungen an Cobots bedienen zu können, braucht man neue Konstruktionsdesigns, in denen neue Materialien eine große Rolle spielen, was der Einsatz des Mars-Rovers Curiosity zeigt. Der muss etwa jedes Mal zwei bis drei Stunden aufgewärmt werden, bis seine Schmierung funktioniert, weil es seine Getriebebauteile aus Stahl so erfordern. Es gibt aber eine Materialklasse, die in den unterschiedlichsten Umweltbedingungen nahezu alle Wünsche erfüllt: Amorphe Metalle.

Rechts ist ein Fräskopf zu sehen, der aus amorphem Metall besteht. Er hält die Bedingungen im Weltraum aus, weshalb er beispielsweise bei Mars-Missionen in einem Rover, wie er daneben zu sehen ist, seinen Dienst verrichten könnte.
Rechts ist ein Fräskopf zu sehen, der aus amorphem Metall besteht. Er hält die Bedingungen im Weltraum aus, weshalb er beispielsweise bei Mars-Missionen in einem Rover, wie er daneben zu sehen ist, seinen Dienst verrichten könnte.
(Bild: A. Petrushenka - stock.adobe.com / Heraeus AMLOY Technolgies )

Amorphe Metalle machen Roboter leistungsfähiger

Den längsten Einsatz haben Roboter in der Industrie. In diesem Sektor können sie etwa als End-of-Arm-Toolings (EOAT) wechselweise Greifer und Werkzeuge aufnehmen, um so vielfältige Aufgaben zu erledigen. Für die Zukunft wünscht sich die Industrie aber noch flexibler konfigurierbare Roboter, die auch noch optimierte Antriebe und Getriebe haben, sowie die oben erwähnten EOATs, Kupplungselemente und nicht zuletzt eine zuverlässige Sensorik. Ein Kostentreiber bei Robotern befindet sich dabei allerdings unsichtbar im Inneren der Getriebe. Gemeint sind Komponenten, die konventionell nur sehr teuer herstellbar sind. Abhilfe schaffen auch hier amorphe Metalle, verarbeitet mit Herstellungsverfahren, die das Bauteil von Haus endkonturnah fertigen können.

Amorphe Metalle entstehen aus der entsprechenden Schmelze, die man durch rasches Abkühlen am Kristallisieren hindert. Anders als normale metallische Legierungen, erlaubt die dabei entstehende amorphe Struktur das Umformen im Prozess der unterkühlten Schmelze. Hier verhält sich das Material unter hohen Temperaturen wie ein Polymer beim Spritzgießen, was es ermöglicht, Bauteile in hoher Qualität, präzise und fast nachbearbeitungsfrei zu produzieren.

Weil es im Material keine Strukturfehler durch Kristalle gibt, besitzen amorphe Legierungen eine extrem hohe Streckgrenze. Sie verbinden so die elastischen Eigenschaften von Kunststoffen mit der hohen Festigkeit von Metallen. Die hohe Festigkeit in Kombination mit einer vergleichsweise geringen Dichte prädestiniert amorphe Legierungen für den Leichtbau. Außerdem werden sie im Gegensatz zu anderen Metallen auch bei extrem tiefen Temperaturen nicht spröde, sondern sind auch dann noch duktil. Weil sie sich so schnell nicht plastisch verformen, haben sie eine sehr hohe Eigendämpfung und eignen sich deshalb auch als Federwerkstoff. Es fehlt ihnen außerdem an chemischen Angriffszonen, weshalb sie resistent gegen Korrosion sind. Auch bergen amorphe Legierungen bei Anwendungen wo Partikelstrahlung einwirkt und eine Neutronendurchlässigkeit verlangt wird, großes Einsatzpotenzial. Es gibt allerdings auch Grenzen. Denn bei keinem Einsatz darf die Glasübergangstemperatur von 400 °C überschritten werden, sonst geht die amorphe Struktur verloren.

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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.

Einsatzmöglichkeiten beschränken sich nicht auf Roboter

Der Markt braucht also leistungsfähige Roboter, die möglichst kompakt, betriebssicher, wartungsfrei und auch in extremen Umgebungen (beispielsweise sehr kalt oder sehr korrosiv) mit höchster Präzision agieren können, die eine hohe Reproduzierbarkeit ohne Ermüdungserscheinungen erreichen und die mit hoher Sensibilität arbeiten. Das bedeutet, es handelt sich um ein breites und herausforderndes Lastenheft.

Genau das eröffnen amorphe Metalle durch die kommerziell reproduzierbare Herstellung im Spritzgießprozess und im 3D-Druck, wodurch eine ganz neue Welt aus zuverlässiger Funktionalität entsteht. „Um immer vorn mit dabei sein zu können, ist Heraeus Amloy Partner in vielen Verbundforschungsprojekten, um neue amorphe Legierungen zu entwickeln und erweiterte Einsatzmöglichkeiten auszuloten, was nicht nur für Roboter gilt“, so Valeska Melde abschließend.

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