3D Druck in der Automation

Additiv gefertigte Greiferfinger können sich genau am zu greifenden Objekt orientieren, was auch das Greifen bionischer Geometrien vereinfacht.

Es liegt in der Natur der Sache, dass es in der industriellen Automation nicht die Eine-für-alles Lösung geben kann. Die Anforderungen an die Produktionslinien sind genauso verschieden, wie die hergestellten Produkte selbst – von Komponenten im Automobilbereich bis hin zu Lebensmittelverpackungen. Dennoch gibt es einen gemeinsamen Nenner in der industriellen Automatisierung. Teile wie Greifer, Düsen und Fördertöpfe, die oft erst am Ende der Automatisierungslösung finalisiert werden, haben das Potenzial, großen Einfluss auf die Wirksamkeit der gesamten Produktionslinie zu entfalten. Wird 3D Druck eingesetzt, so haben die Ingenieure die Möglichkeit, das Design dieser Teile von der funktionalen Seite her anzugehen und eben die Leistungsfähigkeit zu bieten, auf die moderne Robotik aufbaut.

Greifer, die früher aus mehreren Teilen bestanden, können jetzt in einem Stück (ganz rechts) hergestellt werden.

Massenanpassung für Automatisierungsprodukte

Vibrationsfördertöpfe beispielsweise können je nach Industriezweig, Anwendungsfall, Materialeigenschaften, Produktvolumina und Teileausrichtung genau an die Anforderungen angepasst werden. Greifer können effizienter gemacht werden und aus einem Stück gefertigt und die Form und Beschaffenheit der Greiferfinger exakt angepasst werden. Vakuumkanäle können direkt in das Greiferdesign implementiert, oder zusätzliche Funktionalitäten des Roboterarms direkt in den Greifer integriert werden. Düsen wiederum können davon profitieren, dass komplexe Anpassungen die Präzision erhöhen. Flüssigkeitsströmungen können optimiert und die Gefahr von Leckagen vermindert werden.

Während traditionelle Herstellungsverfahren Anpassungen zu einem teuren Unterfangen werden lassen, was meist Werkzeug- und Produktionskosten geschuldet ist, bietet sich die Additive Fertigung zur kosteneffizienten Herstellung von Kleinserien geradezu an. Der Schritt der Werkzeugerstellung entfällt komplett und man kann direkt vom Design in die Produktion gehen. Additive Fertigung bietet somit kurze Produktdesignzyklen und somit die besten Voraussetzungen für eine Massenanpassung.

Durch Additive Fertigung können Formgreifer schnell und individuell angepasst werden.

Designoptimierung für die Additive Fertigung

Bei der Konstruktion von Greifern, Düsen oder Vibrationsfördertöpfen ist viel zu berücksichtigen. Die Form, Ausrichtung, das Gewicht und die Abmessung des zu handhabenden Produktes beeinflussen die Konstruktion und den Aufbau eines Greifers. Das macht diesen letzten Schritt in einem Automatisierungsprojekt zum heikelsten und komplexesten. 3D Druck verändert diesen Schritt nicht nur durch die Erleichterung der iterativen Entwicklung, sondern auch durch die Einführung eines neuen Designansatzes.

3D-gedruckte Greifer eignen sich besonders für Handling, Verpackung und Montage von organischen oder komplexen Formen, da die Greiferfinger auf das Produkt abgestimmt werden können. Da Komplexität durch die Additive Fertigung kein Kostentreiber mehr ist, sind die Designer frei, mit der bestmöglichen Leistung im Blick zu entwerfen. Dies kann die Möglichkeit bieten, die Montage zu vereinfachen, indem mehrere Funktionen in einem Teil integriert werden, oder indem einfach das Gewicht und die Kosten reduziert werden, indem der Innenraum einer Konstruktion ausgehöhlt wird, um den Materialverbrauch zu minimieren.

Im Falle eines Sauggreifers sind alle diese Faktoren während der Entwicklung von der ursprünglichen bis zur für den 3D-Druck optimierten Konstruktion im Spiel. Während das ursprüngliche Design auf aufwendige konventionelle Fertigungsweisen wie Fräsen ausgelegt war, kostet ein neu gestaltetes Teil aus additiver Herstellung weniger als ein Drittel des Originals. Es hat zudem bei gleichem Material (Aluminium) weniger als ein Viertel des ursprünglichen Gewichts und braucht keine Montage mehr. Die Kostensenkung in Bezug auf Materialverbrauch und Montage ist ein direktes Ergebnis der Designoptimierung, die in diesem Fall in Form eines hohlen Innenraums, der Integration von Luftkanälen sowie eines Verbindungsrohres und eines Armes erfolgte. Schließlich wurde durch eine geschickte Ausrichtung des Teils im Bauraum des 3D-Druckers der Materialeinsatz noch weiter reduziert. Der letzte Punkt ist besonders wichtig für Metallteile, da der Materialverbrauch ein wesentlicher Kostentreiber im Metall-3D-Druck ist, und Supportstrukturen können daher teuer sein.

Für einen pneumatischen Fingergreifer bietet die Designoptimierung die Möglichkeit, ein wartungsfreundlicheres Produkt herzustellen. Scharniere, ein gemeinsames Merkmal in fingerbasierten Robotergreifern, sind einer Dauerbelastung ausgesetzt und können somit die Lebensdauer des Greifers verkürzen und die Wartungskosten erhöhen. In einer pneumatischen Greiferausführung, die mit einem flexiblen Material gekoppelt ist, kann die Notwendigkeit für Scharniere entfallen, mit dem zusätzlichen Vorteil, die Montagezeit zu reduzieren und die künftige Wartungsfrequenz zu begrenzen.

Integrierte Luftkanäle ermöglichen schlankeres und leichteres Design bei Automatisierungskomponenten.

3D Druckmaterialien für die industrielle Automation

Für die industrielle Automation variieren die Anforderungen an zentrale Materialien von hart bis weich und von widerstandsfähig bis lebensmittelecht. Die Additive Fertigung bietet eine breite Palette an Materialien, sowohl Kunststoffe wie auch Metalle, die unterschiedlichsten industriellen Anforderungen entsprechen.

Edelstahl, normalerweise in lebensmitteltechnischen Anwendungen und im Medizinbereich eingesetzt, kann durch 3D Druck auf wesentlich kosteneffizientere Weise und mit schnelleren Durchlaufzeiten genutzt werden. In Projekten in denen ein niedriges Greifergewicht erforderlich ist, um beispielsweise schnelle Roboterbewegungen zu unterstützen, sind TPU 92A-1 und PA12 geeignete Kunststoffe, die ebenso unter bestimmten Bedingungen für Lebensmittelgerechte Anwendungen eingesetzt werden können. TPU 92A-1 ist zudem flexibel, wohingegen PA12 ungewöhnlich stabil und dauerhaft ist.

Wenn für Teile die Anforderung an ganz bestimmte Materialien vorliegt, die nicht additiv verarbeitet werden können, bieten 3D gedruckte Formen für das Vakuumgießen häufig eine attraktive Alternative. Das ermöglicht, die Vorteile des 3D Drucks hinsichtlich Designfreiheit und Komplexität mit der Nutzung konventioneller Kunststoffe zu verbinden.

Sich entwickelnde Anforderungen: Robotik und industrielle Automatisierung

Da Robotik und industrielle Automatisierung im Umfeld von Industrie 4.0 eine wesentliche Bedeutung einnehmen, dürfte die Nachfrage nach leichteren, schnelleren und kostengünstigeren Komponenten deutlich steigen. Wurde erst einmal in einen Hochleistungsroboter investiert, entsteht schnell der Wunsch, die Leistungsfähigkeit einer Fertigungslinie noch weiter zu steigern. Um das zu erreichen sind mehr Roboterbewegungen pro Minute nötig, was durch die Verwendung von leichteren Greifern oder Düsen realisiert werden kann. Die Additive Fertigung ermöglicht vollständig digitale Versorgungsketten, angefangen von 3D-Scans über CAD-Konstruktionen über digitale Designoptimierung bis hin zur softwaregesteuerten zertifizierten additiven Herstellung „on demand“ und ohne Werkzeuge. Geht es bei Industrie 4.0 um flexible Produktion und vernetzte Software- und Hardwaresysteme, so ist man mit additiv gefertigten industriellen Automatisierungslösungen bereits dort angelangt.

Ergo, obwohl schnellere, vielseitigere und leistungsfähigere Automatisierungskomponenten keine zwingende Voraussetzung für die Robotik sind, dürfte sich ihre aufstrebende Rolle in der Fertigung in den kommenden Jahren dennoch weiter ausdehnen.