Mit prozessintegrierten Digitalwerkzeugen zum optimierten Robotergreifer

Einführung und die mitwirkenden Partner

Dieser Artikel zeigt auf, wie die Additive Fertigung mit der durchgehenden digitalen Prozesskette Aufgaben aus der Industrie lösen kann und Antworten für Herausforderungen aufzeigt, die über die einfache Lösung des Problems hinausgehen, indem sie die Möglichkeit schafft, Funktionserweiterungen zu integrieren. Die mit herkömmlichen Produktionsverfahren nicht möglich wären.
Außerdem zeigt es den vollständigen Entstehungsprozess eines solch komplexen Teils. Wobei das Ökosystem unter den Partnern optimal genutzt wurde. Wir haben, dank Siemens NX, den Prozess vollständig digital umgesetzt. Die Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH hat Ihre Kompetenz in der Simulation und der Topologie-Optimierung unter Beweis gestellt. Die Fertigung, Endbearbeitung und wirtschaftliche Auswertung wurde von 3D-Metall Theobald e.K. umgesetzt. Als Experte im Bereich Powder-Bed-Fusion für komplexe Bauteile ergänzt er sein Wissen im 3D-Druck mit seinen tiefen Kenntnissen im Engineering.
Durch dieses Ökosystem konnten wir gemeinsam die Herausforderung annehmen und die folgenden Projektschritte detailliert präsentieren.

Wie sah die Ausgangssituation und die Problemstellung aus?

Die Hauptaufgabe bestand darin ein Zahnrad aus einem Reinigungsbad mittels eines Universal Roboters und Standard Aktorik zu entnehmen. Aufgrund der komplizierten Außenform muss der Greifvorgang von innen erfolgen.

1. Durch den geringen Innendurchmesser des Zahnrades wird ein filigraner und gleichzeitig stabiler Greifer benötigt. Gleichzeitig kann damit an Gewicht und Platz gespart werden.
2. Zur Taktzeitoptimierung wurde die Funktionsintegration einer Luftblasfunktion eingefügt, um mit dem Greifer die Restfeuchtigkeit aus den Gewinden des Zahnrades zu entfernen, welche nach dem Reinigungsprozess verbleibt.
3. Dieser Leichtbau-Ansatz sorgt außerdem für eine Energieeinsparung und einem erhöhtem Aktionsradius.

Das Ökosystem zur Lösung der Anforderungen

Für die Konstruktionsaufgaben und die Simulation der Roboterzelle wurde Siemens NX eingesetzt. Bei der Fertigung ist das powder bed fusion – laser beam mittels der TruPrint 1000 zum Einsatz gekommen.

Im NX CAD konnte der Robotergreifer mit Zugabe der Topologie-Optimierung für den Leichtbau Gestalt annehmen. Durch das Setup und der Simulation der Roboterzelle im NX CAM, konnte jede Veränderung direkt überprüft und getestet werden. Für die TruPrint 1000 mussten die richtigen Druckparameter und die Ausrichtung im Bauraum, sowie die passende Werkstoffauswahl getroffen werden. Das alles fließt auch in die wirtschaftliche Betrachtung zur Herstellung des Robotergreifers mit ein.

Einzelne Optimierungsschritte auf dem Weg zur besten Lösung

	Beschreibung	Gewicht pro Stück	Kosteneinsparung durch:	Prozessverbesserung
0	klassisches Design, von innen greifend	67,5 g
1	+ konstruktive Anpassung auf Additive Fertigung	67,2 g	Reduktion der Nachbearbeitung
2	+ Funktionsintegration mit Druckluft	66,7 g		kürzeres, sicheres Trocknen
3	+ konventioneller Leichtbau	37,6 g	Geringeres Aufschmelzvolumen
4	+ Topologie-Optimierung	28,9 g	weiter verringertes Aufschmelzvolumen

1. Ausrichtung der Modells im Bauraum:

2. Funktionsintegration mit Druckluft

3. Der konventionelle Leichtbau mittels Gitterstruktur

4. Die Topologie-Optimierung

Wie sich die Optimierungsergebnisse auf die Herstellungskosten auswirkt

112€/Stück

85€/Stück

88€/Stück

73€/Stück

59€/Stück

Zusammenfassung und weitere Ausbaumöglichkeiten

Unsere Ergebnisse sind natürlich noch nicht das Ende der Fahnenstange. Man kann mit Sicherheit an einigen Stellschrauben noch drehen und weiter optimieren, validieren und testen, aber wir wollen mit diesem Artikel zeigen, wie der Prozess aussieht und wie es auch in der Industrie praxis-nah umgesetzt wird.

Was man an diesem Beispiel auch sehr klar erkennen kann, ist die Notwendigkeit für ein Umdenken im Engineering. Um die heutigen Probleme nachhaltig lösen zu können, muss die Offenheit für neue Technologien in den Unternehmen Einzug halten.
Aber wie findet man einen leichten Einstieg in die additive Fertigung, ohne vor den Neuerungen zu kapitulieren? Das hat sich Hans-Werner Theobald ebenfalls gefragt und eigens dafür ein Praxistraining gemeinsam mit Sven Herbst ins Leben gerufen. Hier erhalten Sie an einem Tag den perfekten Einstieg und zwei Ansprechpartner für Ihre Fragen. Schauen Sie gern hier nach und besuchen eines der Trainings.

Sollten Sie den Robotergreifer und seine Entwicklungsstufen live sehen wollen, besuchen Sie uns auf der kommenden Formnext in Frankfurt vom 19.–22.11.2024 in der Halle 12 auf dem Stand C69.
Die Formnext ist die Messe im Bereich der additiven Fertigung und 3D-Prozesskette. Sie können die Neuheiten kennenlernen und die Experten im Thema direkt kennenlernen.

Als Extra präsentieren wir gemeinsam mit den Firmen METROM, Gefertec, Siemens und der BTU Cottbus die mobile Reparaturfabrik. Diese nutzt das Wire-Arc-Additive-Manufacturing mit fräsender Endbearbeitung auf 5 Achsen.