Neues Applikationszentrum Bahngeführte Roboterbearbeitung Fraunhofer IWU bringt Robotern hochpräzises Bearbeiten bei

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

ET System electronic GmbH

DMB Technics AG

Roboter sind verhältnismäßig preiswert und flexibel in mehreren Bewegungsachsen programmierbar, gelten jedoch für präzises Zerspanen, Fügen oder Umformen als nicht genau genug. Das wollen die Forscher des neuen Applikationszentrums Bahngeführte Roboterbearbeitung am Fraunhofer IWU ändern und Robotik als Alternative für teure Bearbeitungszentren etablieren.

Bereits seit vielen Jahren übernehmen Roboter Aufgaben, bei denen es auf eine hohe Wiederholgenauigkeit ankommt. Auch bei monotonen oder ergonomisch ungünstigen Tätigkeiten sind sie erste Wahl. Doch ein Blechteil für Fahrzeuge oder Flugzeuge (um)formen, eine Laserschweißnaht in Komponenten von Solarthermiemodulen setzen, bei denen Abweichungen von mehr als 50 µm inakzeptabel wären, oder Oberflächen mit komplexen Geometrien schleifen?

Viele Anwender denken bei solchen Aufgaben kaum an Roboter, deren Bewegungsbahnen in der Regel dafür zu hohe Abweichungen aufweisen. Andererseits lohnen sich Anschaffung oder Betrieb von Walzanlagen und industriellen Bearbeitungszentren meist nur für die Fertigung großer Stückzahlen oder wenn hohe Preise für das Produkt erzielbar sind.

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Überwachung, Steuerung und Ausgleichssysteme sorgen für Präzision

Eine vielversprechende Alternative und gleichzeitig Lösung dieses Dilemmas ist, Robotern mit deren spezifischen Werkzeugen präzise Bewegungen »beizubringen«. Genau dies ist das Ziel der Forscher des neu geschaffenen Applikationszentrums Bahngeführte Roboterbearbeitung am Fraunhofer IWU. Mithilfe von intelligenter Überwachungs- und Steuerungstechnik sowie Ausgleichssystemen, die für präzise Bearbeitungsbahnen sorgen, wollen sie Robotik zur Alternative für teure Bearbeitungszentren machen.

Die Forschenden am Fraunhofer IWU haben inzwischen viel Methodenwissen aufgebaut, um der Robotik viele neue Anwendungsfelder zu erschließen. Dieses anwendungsreife Wissen ist nun im neuen Applikationszentrum Bahngeführte Roboterbearbeitung gebündelt und für interessierte produzierende Unternehmen verfügbar. Kundenspezifische Weiterentwicklungen sind dabei jederzeit möglich.

Schleifen in Perfektion dank spezieller Ausgleichseinheit

Wenn neue Umformwerkzeuge (Presswerkzeuge) eingearbeitet werden, heißt dies in der Regel: Ein erfahrener Werkzeugmacher schleift und tuschiert so lange an den Werkzeugen, bis die erforderliche Maßhaltigkeit des Bauteils erreicht ist. Roboter erlauben die Bearbeitung von Freiformflächen und können nun bei dieser aufwendigen und mühsamen Arbeit für teilweise Entlastung sorgen und somit Zeit und Kosten sparen (Bild 1). Dank einer am Fraunhofer IWU entwickelten Ausgleichseinheit bleiben Anpressdruck und Materialabtrag beim Schleifen konstant, die Ungenauigkeit der Roboterbahn wird kompensiert.

Roboterbasiertes Rollformen: Mit wenigen Werkzeugen flexibel umformen

Beim roboterbasierten-Rollformen, einer hochflexiblen Technologie zum Walzprofilieren, führt ein Roboter ein Walzenpaar in mehreren Durchläufen abwechselnd in beiden Laufrichtungen (reversierend) und mit schrittweise ansteigender Zustellung am Werkstück entlang, bis beispielsweise ein Flansch in die gewünschte Form gebracht ist (Bild 2). Eventuelle Geometrieabweichungen lassen sich nach jeder Bahnbewegung optisch oder über die Reaktionskräfte im Roboter erfassen. Nach einer entsprechenden Analyse der Messdaten kann jegliche Abweichung bei der nächsten umformenden Bahnbewegung behoben (kompensiert) werden.

Die technologisch bedingte Rückfederung des Materials lässt sich durch eine entgegengerichtete Überbiegung korrigieren. Wichtig dabei ist auch die ganzheitliche Betrachtung des Prozesses, bis hin zur entsprechend flexiblen Aufspannung des umzuformenden Bauteils. Prozessbegleitende Datenerfassung und KI-gestützte Auswertung der Daten erlauben es, unmittelbar auf schwankende Materialeigenschaften (Festigkeit, Rückfederungsverhalten) einzugehen und Geometrieabweichungen vorausschauend zu kompensieren. Gleichzeitig werden Qualitätskontrolle und -dokumentation zum integralen Bestandteil des Fertigungsprozesses.

Präzises, flexibles Laser-Scannerschweißen mit zwei kooperierenden Robotern

Robotersysteme sind wegen ihrer deutlich geringeren Genauigkeit für das hochpräzise Laserstrahlschweißen oft nicht geeignet. Mit Nahtverfolgungssystemen für Laserstrahl-Scanneroptiken kann diese Ungenauigkeit jedoch ausgeglichen werden. Wenn das Laserstrahlwerkzeug mit einem Roboter und das zu schweißende Werkstück mit einem zweiten Roboter geführt wird, können komplexe 3D-Geometrien geschweißt werden (Bild 3). Die Herausforderung besteht darin, zwölf Roboterachsen und zwei Scannerachsen so aufeinander abzustimmen, dass die resultierende Laserstrahlbewegung auf der Schweißbahn konstant und hochgenau ist. (cg)

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