Wenn der Roboter günstiger spant

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Industrieroboter sind - im Vergleich zu Werkzeugmaschinen – sehr flexibel einsetzbar und günstig in der Anschaffung; das macht sie auch für Anwendungen in der Zerspanung sehr interessant. Dieses Potenzial schöpft das Verbundforschungsprojekt "Effective“ seit Anfang 2016 aus. Die wissenschaftliche Durchführung und Koordination liegt beim Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen im Produktionstechnischen Zentrum (PZH) der Leibniz Universität Hannover, und das Ziel ist klar: Bis Ende 2018 wird ein Zerspanungs-Roboter prototypisch die guten Ergebnisse der bisherigen simulationsgestützten Forschung auch praktisch umsetzen.

Mit seiner Steifigkeit, die etwa um den Faktor 10 höher liegen wird als die Steifigkeit herkömmlicher Industrieroboter, wird er für viele Anwendungen tatsächlich eine günstige Alternative für die spanende Bearbeitung darstellen.  Thomas Lepper, Ingenieurwissenschaftler am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) koordiniert den wissenschaftlichen Anteil des Projekts. Er skizziert die Herausforderung: "Geringere Struktur-, Antriebs- und Lagersteifigkeiten konventioneller Industrieroboter führen beim Zerspanen zu Schwingungen und damit zu Prozessinstabilitäten, was eine viel geringere Produktivität im Vergleich zu Werkzeugmaschinen zur Folge hat. Wir schaffen mit unserem Ansatz aber mittlerweile einen Roboter mit einer Steifigkeit von 5 N/µm – das heißt, eine Kraft von fünf Newton erzeugt höchstens einen Mikrometer Abdrängung.“

Idealer Zerspanroboter

Damit haben die Entwickler nicht die Steifigkeit einer Werkzeugmaschine erreicht, aber eben eine Steifigkeit, die um den Faktor zehn besser ist als die von herkömmlichen Industrierobotern. Gelungen ist ihnen das durch steifere Lager und Antriebe und durch Werkzeugmaschinentechnik, die für Roboter weiterentwickelt und adaptiert wurde. Zusätzlich soll eine Online-Kompensation, mit Hilfe der in Echtzeit gemessenen Prozesskräfte, die entstehende Abdrängung weitgehend ausgleichen.

Ein solcher Zerspanungsroboter wäre eine ideale, weil kostengünstige Lösung für Bearbeitungsschritte, bei denen es nicht auf hohe Präzision ankommt, oder auch für neuere Werkstoffe wie CFK. "Wir haben einen besonderen Fokus auf die Bearbeitung von CFK“, erklärt Lepper, "und integrieren daher auch eine energieeffiziente Absaugung, die wegen des entstehenden sehr abrasiven und gesundheitsschädlichen CFK-Staubs unverzichtbar ist. Neben CFK interessieren uns aber auch Aluminium-CFK-Verbunde und Aluminium. Da werden wir die Grenzen ausloten. Und in der Ferne steht natürlich die Frage: Was ist mit Stahl?“

Bei der Entwicklung des aktuellen 5-Achs-Zerspanroboters können alle Projekt-Beteiligten von der Erfahrung des IFW profitieren, das seit 2006 in mehreren Projekten dazu beigetragen hat, die Leistungsfähigkeit von Industrierobotern für die spanende Bearbeitung immer weiter zu optimieren. "Das IFW hat sich hier mittlerweile eine Pionierrolle erarbeitet“, sagt Institutsleiter Professor Berend Denkena, "und wir wollen auf diesem Gebiet auch weiterhin mit unseren Projektpartnern die Grenzen des Machbaren verschieben“.