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Roboter Zerspaner überwinden die ”Hemmschwelle“ Roboter

| Autor/ Redakteur: Josephin Schmidt / Mag. Victoria Sonnenberg

In den letzten Jahren wurde die Systemtechnik für roboterbasierte Bearbeitungslösungen intensiv weiterentwickelt. Dadurch ergeben sich immer mehr Einsatzmöglichkeiten für den Roboter, der heute auch selbst zur Bearbeitung eingesetzt werden kann.

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Die Prozesse für die Bearbeitung von Leichtbaumaterialien können durch roboterbasierte Lösungen wirtschaftlicher gestaltet werden.
Die Prozesse für die Bearbeitung von Leichtbaumaterialien können durch roboterbasierte Lösungen wirtschaftlicher gestaltet werden.
(Bild: Kuka Industries)

Leichtbau, ein Trend, der quer durch alle Branchen hinweg zu beobachten ist: So besteht unter anderem große Nachfrage in der Automobilindustrie als auch in der Luft- und Raumfahrt. Rohstoffe reduzieren, Energie einsparen und damit die Kosten verringern. All das sind Gründe, roboterbasierte Lösungen für Leichtbaumaterialien zu realisieren. Im Bereich Robot Machining beim Augsburger Systemintegrator werden daher kundenspezifische Lösungen sowie Standardzellen für roboterbasierte Bearbeitungsprozesse, wahlweise mit Bauteilverkettung und weiteren Prozessen, projektiert und realisiert.

Kuka investiert seit jeher in Forschung und anwenderorientierte Technologieentwicklung, um intelligente, robuste und wirtschaftliche Kundenlösungen zu genieren. Deshalb entwickelte Kuka Industries in den letzten Jahren die Technologien zur Bearbeitung von Bauteilen unterschiedlichster Art kontinuierlich weiter. Bearbeitungsversuche mit Hochschulen und Partnern sowie Erfahrungen aus Kundenprojekten mündeten schließlich im Projekt „MAI ZPR – CFK Zerspanung durch Präzise Roboter Bearbeitung“.

Kuka-Anlagentechnik für CFK-Booster-Gehäuse

So floss beispielsweise das Know-how aus dem Projekt „Koffer“ (kostenoptimierter Faserverbund-Feststoff-Raketenmotor) in MAI ZPR mit ein: Kuka Industries entwickelte und lieferte hier die Anlagentechnik, um erste Technologiedemonstratoren des neuen CFK-Booster-Gehäuses herzustellen. Die Anlage steht beim DLR ZLP, dem Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. in Augsburg. Betrieben wird sie mit einer klassischen NC-Steuerung, die seit kurzem auch für roboterbasierte Zerspanungsprozesse eingesetzt wird. Neben der eingesetzten Steuerung stellt auch der roboterbasierte Wickelprozess selbst eine Neuheit dar.

Ein Flug in den Orbit? Ohne Trägerraketen wäre das für den Menschen unmöglich. Um wettbewerbsfähige Transportsysteme herstellen zu können, müssen Kosten eingespart werden.

Roboterbasiertes Wickeln von CFK-Booster-Gehäusen der Ariane 6

Neue Technologien und Automatisierungslösungen spielen dabei eine entscheidende Rolle. MT Aerospace AG und das DLR ZLP forschen an fortschrittlichen Prozessen für Verbundwerkstoffen, um die vorgegebenen Entwicklungsziele der Ariane 6 zu erreichen: Die heutigen metallischen Feststoffmotorgehäuse, Booster, sollen kleiner und aus CFK gefertigt werden. Dies soll über das trockene Wickeln und Ablegen der Fasern erreicht werden.

Kuka Industries realisierte die Anlagentechnik zum Projekt. In der bereits von Kuka entwickelten und gelieferten multifunktionalen Roboterzelle, die beim DLR ZLP in Augsburg als Forschungsplattform genutzt wird, wurde ergänzende Systemtechnik integriert: „Die Gesamtanlage zum Wickeln besteht maßgeblich aus einem in einer Lineareinheit hängenden Roboter, einem spezifischen Roboter-Endeffektor mit Fadenzuführung sowie einer Drehvorrichtung für den entsprechenden Wickeldorn“, spezifiziert Tobias Maresch, Projektingenieur im Bereich Robot Machining bei Kuka Industries. „Die Steuerung der Anlage erfolgt durch eine klassische NC-Steuerung. Zur vorgelagerten Prozess- und Roboterprogrammierung wird eine CAD-/CAM-Software eingesetzt.“

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Erst die Integration der Hard- und Software zu einem funktionierenden Gesamtsystem ermöglichte es, dass erste Technologiedemonstratoren des CFK-Boosters mit 3,5 m Durchmesser und 6 m Länge in trockener Wickeltechnik hergestellt werden können.

Im Oktober 2014 rief Kuka das Forschungsprojekt MAI ZPR ins Leben und übernahm die Leitung. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und ist in der Spitzenclusterinitiative MAI Carbon angesiedelt. Gemeinsam mit den Partnern DLR ZLP, der Tebis Technische Informationssysteme AG, der Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH und der BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH wird an roboterbasierten Zerspanungslösungen für CFK wie auch weiteren Leichtbaumaterialen wie GFK und Aluminium gearbeitet. Durch die eingebundenen assoziierten Automotive- und Aerospace-Partner wird sichergestellt, dass die Entwicklungen anwenderorientiert erfolgen.

Tobias Maresch schildert die Motivation für den Robotereinsatz bei Zerspanungsaufgaben: „Roboter bieten zum einen den Vorteil eines großen Arbeitsraumes.“ Die bei der Bearbeitung üblicherweise eingesetzten Industrieroboter weisen einen Arbeitsraum von etwa 60 bis 120 m³ auf. Setzt man den Roboter auf eine Lineareinheit, lässt sich der Arbeitsraum beliebig erweitern. „So haben wir beispielsweise bereits eine Kundenanlage zur Bearbeitung von Bauteilen mit 25 m Länge und 3 m Höhe realisieren können“, ergänzt Maresch. Zum anderen ist der Roboter flexibel, das heißt weitere Prozesse wie das Handling von Bauteilen wie auch Qualitätskontrollen können mit demselben Roboter bewerkstelligt werden. „Wenn große Arbeitsräume oder Flexibilität gefordert sind, bieten wir eine gute Alternative zur klassischen Werkzeugmaschine.“

Durch die Technologieentwicklungen in MAI ZPR sollen Nachteile des Roboters gegenüber CNC-Maschinen schrittweise reduziert werden. Um die Absolutgenauigkeit im Gesamtsystem zu verbessern, entwickelte Kuka Industries eine Technologie zur präzisen Bahnkalibrierung. Die limitierte Steifigkeit des Roboters soll zukünftig durch eine modellbasierte Kompensation der Prozesskraftabdrängung ausgeglichen werden. „Für viele potenzielle Anwender, die aus der Zerspanungswelt kommen, ist der Roboter immer noch ein unbekanntes Wesen. Durch die Einbindung von Standards aus dem CNC-Bereich wie der Bauteilnullpunktvermessung mittels Messtaster und dem Einsatz einer klassischen CNC-Steuerung, möchten wir die Hemmschwelle, einen Roboter einzusetzen, weiter reduzieren.“

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