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Leichtbau in der Automatisierung dank Lasersintern

Leichtbau in der Automatisierung dank LasersinternSmarte Lösung Roboterhand aus Pulver

Spritzgießer Hillers aus Kall in der Eifel war auf der Suche nach einer Lösung für die Handhabung von Filtersieben für die Pharmabranche und deren Angüssen, angedockt auf einen Angusspicker. Die Lösung lag im Aufbau einer sehr leichten Roboterhand im selektiven Lasersintern (SLS).
Roboterhand mit Vakuumsaugern

Die Aufgabenstellung ließ die standardisierte Automatisierungstechnik an ihre Grenzen stoßen: Nutzung des vorhandenen Angusspickers, viele Kavitäten auf engem Raum, Steigerung der Qualität, begrenzter Raum und ein Maximalgewicht der einzusetzenden Roboterhand von etwa 500 Gramm bei gleichzeitiger Reduzierung der Gesamtkomplexität waren einige der Forderungen. ASS Maschinenbau hat eine Lösung mit Hilfe des Selektiven-Laser-Sinter Verfahren (SLS) entwickelt und eine leichte Roboterhand aus Polyamid gefertigt, die schließlich in das bestehende System integriert wurde.

Bei der bisherigen Lösung entnahm ein Angusspicker den Anguss und die zwölf oder acht Filtersiebe zum Abwurf als Fallteile auf ein Förderband. Nun ist der Angusspicker über ein zweiachsiges Linearhandling mit zusätzlicher Schwenkachse geführt. Um die Qualität der Produkte zu steigern und den Ausschuss zu minimieren, werden die Filtersiebe entnommen und auf einem Förderband abgelegt.

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Eine Lösung mit Greiferteilen auf Profilrahmen oder in Plattenbauweise waren aus Platzgründen nicht möglich, vor allem aber das maximal handelbare Gewicht von 500 Gramm war für die benötigte Anzahl an Kavitäten mit Aluminium Bauteile nicht realisierbar. Als Lösung zeichneten sich Greifer aus Polyamid ab, Erfahrungen mit Teilkomponenten aus Polyamid bei Nadelgreifern und Greifzangen, bei Leichtbau-Innengreifern und speziellen Konturstücken, sowie bei Parallel- und Foliengreifern waren vorhanden.

Die Projektierung simulierte ein 3D-Modell anhand der groben Eckdaten. Dieser Entwurf ergab, dass die Zielvorgaben mit einer Leichtbau Roboterhand aus Polyamid erreicht werden können. Das Selektive-Laser-Sinter Verfahren (SLS) bot für die gegebenen Rahmenbedingungen den bestmöglichen Lösungsansatz und ermöglichte die weitere Nutzung des vorhandenen Systems beim Kunden.

Test und Optimierung

Die Produkte müssen per Vakuum mit Saugern entnommen werden. Daher wurden vor der eigentlichen Konstruktion des Greifers aus Polyamid Tests zur Saugkraftoptimierung durchgeführt: Die Roboterhände mussten über das erzeugte Vakuum acht, beziehungsweise zwölf Kavitäten ansaugen und halten können. Die Tests ergaben, dass die 12-fach Roboterhand vier Luftkreise für je drei Artikel und die 8-fach Hand vier Luftkreise für je zwei Artikel benötigte.

Die Ergebnisse integrierte der CAD-Konstrukteur in Form von Luftführungen in die Roboterhände. Diese innenliegenden Luftführungen bieten die Vorteile, kein zusätzliches Gewicht für Luftschläuche einzusparen und ein „aufgeräumtes“, robustes System zu bilden. Um weiteres Gewicht einzusparen wurde auf Messing-Adapter der Saugnäpfe verzichtet und stattdessen die Anbindungen für die Vakuumsauger direkt in die Roboterhände konstruiert. Die integrierten Anbindungen für die Vakuumsauger ermöglichen einen unkomplizierten Wechsel der Sauger. In der späteren Anwendung reduziert sich die Rüstzeit, da beim Saugerwechsel die Sauger direkt von der Roboterhand gezogen und wieder aufgesteckt werden können.

Die Herausforderung lag nun darin, die Zahl der Kavitäten, die Luftführungen, die Anbindung an das Linearhandling und die Entnahmevorrichtungen so zu kombinieren, dass die Grenzen von Gewicht und Bauraum nicht überschritten werden und die Roboterhände zugleich stabil und sicher vor Ermüdungsbrüchen sind. Um der mechanischen Anbindung der Roboterhand an das Handling zusätzliche Stabilität zu bieten wurde hier eine klassische Adapterplatte aus Aluminium genutzt. Das Ergebnis des 3D-Modells wurde in der Konstruktionsabteilung vor dem Lasersintern einer Belastungsanalyse unterworfen. Nach erfolgreich bestandenen Tests wurde das fertige 3D-Modell über Nacht im Selektiven-Laser-Sinter Verfahren auf der PA-Forming Anlage gefertigt. Nach der Entnahme und die Reinigung vom Polyamid Pulver am folgenden Morgen wurden Vakuumsauger, Anschlüsse für die Luftzuführung und Greifzange montiert. Die Fertigstellung einer solchen Polyamid-Roboterhand ist nach erfolgreicher Konstruktion und je nach Komplexität quasi über Nacht möglich.

Die hier dargestellte 12-fach Roboterhand wurde auf der Laser-Sinter Anlage ebenfalls über Nacht gefertigt. Das fertige Polyamidbauteil wurde gereinigt war schwarz lackiert. Im Anschluss wurden die zwölf Vakuumsauger, die Greifzange und die Anschlusskomponenten montiert. Danach stand die montagefertige Leichtbau Roboterhand bereit zur Inbetriebnahme.

Unkonventionelle Roboterhände – Ergebnisse

Für die erste Anwendung wurde eine Leichtbau Roboterhand aus Polyamid in Form eines Sterns gefertigt. Der Greifer enthält zwölf Vakuumsauger und eine Greifzange. Die Sauger sorgen dafür, dass die bisherigen Fallteile nun sauber auf einem Förderband abgelegt werden und die Greifzange entnimmt den Anguss der Filtersiebe.

Die Luftführungen für Vakuumsauger und Greifzange sind innenliegend in der Roboterhand integriert, ebenso wie die Adapter für die Sauger. Bei einem fast 250 Millimeter Durchmesser und etwa 110 Millimeter Bauhöhe wiegt die Roboterhand aus Polyamid weniger als 400 Gramm und konnte so mit der Greifzange für den Anguss ergänzt werden.

Für die zweite Anwendung wurde eine 480 Gramm leichte Roboterhand mit einer rippenförmigen Greifergeometrie gefertigt. Die Abmessungen hier betragen 240 Millimeter Höhe, 150 Millimeter Breite und 150 Millimeter Tiefe. Die Roboterhand ist mit acht Vakuumsaugern, innenliegenden Luftkanälen und integrierten Saugeradaptern ausgestattet.

Inbetriebnahme – mit Leichtigkeit greifen

Bereits unmittelbar nach Inbetriebnahme der lasergesinterten Roboterhand seien ablagebedingte Fehler an den Filtersieben nicht mehr aufgetreten. Neben den technischen Aspekten für die bedarfsoptimierte Automationslösung sind die lackierten Leichtbau Roboterhände durch ihren unkonventionellen Aufbau auch optisch ein Hingucker.

Greiferteile und komplette Roboterhände werden mit Hilfe der Laser-Sinter Technologie (SLS) exakt auf die technischen Erfordernisse für die Handhabung abgestimmt. Auf Basis von CAD-Daten der Konstrukteure werden die benötigten Komponenten aus Polyamid hergestellt. Ein zusätzlicher Vorteil ist die ökonomische Produktion, da die Greifer ohne Werkzeuge gebaut werden. Dem Anwender wird so zeitnah eine Lösung bereitgestellt. Die Komplexität des Polyamidbauteils hat keinen Einfluss auf die Fertigungskosten.

Das Laser-Sinter bietet auch in der Automationstechnologie neue Wege: Sie verschafft Konstrukteuren bisher ungeahnte Freiheiten in der Entwicklung von Bauteilen. Durch die Möglichkeit der komprimierten Baugröße und das geringe Eigengewicht der Greifer sowie entfallende Montagen lassen sich Funktionen bei kleinem Bauraum realisieren. Zudem können produktionsrelevante Funktionen integriert werden, die beispielsweise den Einsatz beweglicher Innengreifer zulassen oder den Einsatz von Luftschläuchen minimieren.

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