Roboter – die Bearbeitungsmaschinen der Zukunft

Die Bearbeitung von Großbauteilen durch riesige Bearbeitungszentren ist oft ein Flaschenhals in der Produktion. Dabei ist die Prozessführung räumlich auf die Anlagengröße begrenzt und durch das Bauprinzip in der Flexibilität eingeschränkt. Dies wird durch den Einsatz mobiler Industrieroboter (IR) vermieden. Bei Verwendung von CNC-gesteuerten Robotern lassen sich zudem bestehende Programme weiter nutzen. Der Nachteil konventioneller IR liegt aber in ihrer gegenüber einer Bearbeitungsmaschine geringeren Genauigkeit, die es bisher nicht zulässt, die geforderten Bearbeitungstoleranzen einzuhalten.

Die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IFAM in Stade zeigten bereits in vielen Projekten, dass sich durch Erweiterung der Messtechnik, Optimierungen der Software und Anpassungen an der Mechanik die Genauigkeit von Knickarmrobotern erheblich steigern lässt. Sie wiesen an Original-CFK-Flugzeuggroßbauteilen mit Toleranzen im Submillimeterbereich eine hinreichende Präzision bei der Umrissbearbeitung nach. Um den Anwendungsbereich auf Metallbearbeitungsverfahren auszudehnen, sind weitere, auch strukturelle Anpassungen an der Roboterkinematik nötig.

Einen innovativen Ansatz zur Optimierung eines Robotersystems für Bearbeitungsprozesse verfolgt das Projekt »Flexmatik 4.1« (Fraunhofer-internes Programm konzipiert als marktorientierte strategische Vorlaufforschung gemeinsam mit dem Fraunhofer IPK und LBF). Während bisherige Projekte sehr gute Ergebnisse bei kontinuierlichen Fräseingriffen erzielten, ist das Eintauchen in das Werkstück und die flächige Bearbeitung, wenn überhaupt, nur durch aufwendige und prozessverlangsamende Anpassungen möglich gewesen. Der in »Flexmatik 4.1« selbstkonstruierte Roboter mit optimierter Struktur und neu entwickelten Antriebssystemen überwindet diese Einschränkungen und erreicht eine weitere Steigerung der Positionsund Bahngenauigkeit. Durch symmetrischen Aufbau der Kinematik, doppelte Lagerung der Gelenke und zusätzliche Versteifung der Armelemente sind neue, bislang für IR unzugängliche Bearbeitungsapplikationen denkbar.

Eine weitere Schwachstelle bisheriger IR ist die geringe Steifigkeit der Getriebe im Antriebsstrang. Ein zusätzlicher Direktantrieb in der neu entwickelten Kinematik eliminiert deren Einfluss auf die Bahngenauigkeit und erhöht gleichzeitig die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. -dynamik. Erste Untersuchungen der Antriebe zeigen eine Steigerung der relativen Bahngenauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben um den Faktor 10. So lassen sich im Gesamtprozess erheblich höhere Toleranzanforderungen erfüllen.

Mit der Einführung der Robotik in die Großbauteilbearbeitung ist eine erhebliche Kostensenkung bei gleichzeitiger Effizienzsteigerung möglich. Dies ist ein weiterer Beitrag, um die Nachhaltigkeit in der Produktion zu verbessern und den deutschen zivilen Flugzeugbau im internationalen Wettbewerb zu stärken.