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Roboter vs. Maschine

Wenn Industrieroboter 50 % günstiger als Bearbeitungsmaschinen produzieren

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Forschungsergebnisse decken Schwachstellen bestehender Systeme auf

Die generelle Eignung eines Industrieroboters für die Ausführung einer definierten Bearbeitung ist primär von seinen Systemeigenschaften und den Prozessbedingungen bei der Bearbeitung abhängig. Aus diesem Grund wurden die derzeit verfügbaren Robotersysteme am Fraunhofer-IPK umfassend analysiert und beschrieben.

Als Ergebnis stehen umfangreiche Kenntnisse über das statische, dynamische und thermische Verhalten verschiedener Industrieroboter zur Verfügung. Auf Basis dieses Wissens lässt sich die mit den Systemen erzielbare Genauigkeit abschätzen. Darüber hinaus zeigen die Forschungsergebnisse schonungslos die Schwachstellen bestehender Systeme auf. Dieses Wissen nutzt das Fraunhofer-IPK zur Entwicklung von Tools und Werkzeugen zur Steigerung der Genauigkeit. Ein Ansatz dabei ist die Steuerung des Roboters und Nutzung von Kraft-Momenten-Sensorik. Mithilfe der von Kuka bereitgestellten Standardschnittstelle oder mit eigens programmierten Schnittstellen können die Wissenschaftler die Geschwindigkeit und die Position vieler Robotersysteme im Prozess kraftbasiert steuern. Dies zeigte der Gastgeber im Zuge der Versuchsfeldführung am realen Anschauungsobjekt. Gemeinsam mit einem Teilnehmer wurde ein Bauteil willkürlich auf dem Bearbeitungstisch platziert. Grob davor positioniert, findet der Roboter das Bauteil selbstständig und folgt der Außenkontur. Die aufgenommenen Bahnpunkte können im Nachgang zur automatischen Bahngenerierung genutzt werden.

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Fräskinematik soll den Anforderungen der Zerspanung gerecht werden

Die entwickelten Zusatztools des Fraunhofer-IPK helfen zwar, die Leistungsfähigkeit zu steigern, aber sie ermöglichen noch keine generelle Qualifizierung der Industrieroboter für die Bearbeitung. Industrieroboter können vor allem die manuellen Prozesse und Portalfräsmaschinen bei der Bearbeitung von großflächigen Strukturen, wie den Rotorblättern für Windkraftanlagen oder Gehäuseteilen von Flugzeugen substituieren [6]. Die Fraunhofer-Institute IPK, IFAM und LBF haben sich dieses Anwendungsgebietes angenommen und begonnen, eine neue serielle Fräskinematik mit dem Namen „Flexmatik 4.1“ zu entwickeln. Die Flexmatik 4.1 wird sich maßgeblich von aktuellen Industrierobotern unterscheiden, um den hohen Anforderungen der Zerspanung gerecht zu werden. Dafür wird der Einsatz von Direktantrieben, topologieoptimierten Strukturbauteilen, einer Temperaturkompensation, einer adaptiven Schwingungsregelung, innovativer Sensoriken und einer G-Code- basierten Steuerung umgesetzt. Das Fraunhofer-IPK präsentierte im Zuge des Workshops den aktuellen Stand des Projektes, das das Ziel hat, eine Roboterkinematik zu fertigen, die eine Bahngenauigkeit von ±0,1 mm ab dem ersten Bauteil erreicht. Um auch Großstrukturen bearbeiten zu können, wird die Flexmatik 4.1 auf einer ebenfalls eigens entwickelten Linearachse verfahrbar montiert.

Gerret Christiansen vom IWF der TU Berlin zeigte in seinen Vortrag auf, wie durch geschickte Verfahrenskombinationen die Leistungsfähigkeit von Robotern bei der Zerspanung von CFK gesteigert werden kann. Durch ultraschallüberlagerte Bearbeitung würden der Spanbruch verbessert und die Zerspanungskraft reduziert, so Christiansen. Dies wiederrum steigere die Qualität des Bauteils und somit auch die Leistungsfähigkeit der Industrieroboter. Für die Umsetzung dieses hybriden Prozesses haben die Kollegen des IWF der TU Berlin gemeinsam mit ihren Projektpartnern von Weber Ultrasonics ein hochfrequentes, rotierendes Ultraschallaktorsystem entwickelt und in die Werkzeugaufnahme integriert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich insbesondere bei der Bearbeitung des duroplastischen CFK eine Steigerung der Bauteilqualität erzeugen lässt.

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