Scara-Roboter in der Industrie bewegen sich in wahnsinnigem Tempo. Ein Pick&Place-Zyklus dauert im besten Fall nur rund eine Drittelsekunde. Diese Akrobatik hat allerdings auch ihre Schattenseiten: Bei einem schwäbischen Automobilhersteller arbeiteten 40 Scara-Roboter in einer Produktionsstraße so schnell, dass die Roboter schnell verschleißen und viel Wartungsarbeit nötig ist.
„Die Roboter bewegen sich im 24/7-Dauerbetrieb mit Arbeitsgeschwindigkeiten von bis zu 2.000 Millimetern pro Sekunde in der horizontalen Ebene“, erklärt Matthias Meyer, Leiter Geschäftsbereich ECS Triflex & Robotics bei Igus. „Für den Kunden war es jährliche Routine, die Energieleitungen und Schläuche der Scara-Roboter zu prüfen und aufgrund von Verschleiß ersetzen zu müssen. Entsprechend dringend suchte der Automobilhersteller nach einer Alternative.“
Ziel: Lebensdauer verdreifachen
Das ehrgeizige Ziel: die Lebensdauer der Energieführung mindestens zu verdreifachen. Mit diesem Problem hat sich der Automobilhersteller an Igus gewandt Der erste Schritt war vergleichsweise einfach: Die Kölner Motion-Plastics-Spezialisten verstärkten den Wellschlauch, in dem sich Energieleitungen und Schläuche bewegen mit dem Produkt E-rib – einer Art Skelett aus Hochleistungskunststoff, das sich in die Rillen des Schlauches setzt, sodass er sich nur noch in eine Raumrichtung bewegen kann. Zudem verstärkte Igus die vorderen und hinteren Anbindungspunkte mit zwei Stützen aus Kunststoff, die mit Kabelbindern an die Schläuche montiert sind. So ist der Schlauch somit stabil genug, um auch bei schnellen Bewegungen nicht abzuknicken.
Eine dritte Verbesserung hat sich der Automobilhersteller selbst einfallen lassen. „Um der Motorik eines Scara-Roboters folgen zu können, müssen die Schlauchanbindungen an beiden Enden drehbar gelagert sein. Der Kunde hat hier eine Drehanbindung aus Metall gefertigt“, sagt Meyer. Mit Erfolg: „Das gesamte System ist seit 2017 mit rund 6,8 Millionen Zyklen im Jahr ohne einen Austausch im Einsatz.“
3D-Druck beschleunigt Prototypenbau
Bei Igus war man von dieser Kombination so überzeugt, dass man sich Ziel gesetzt hat, alle Komponenten zu einer serientauglichen Energieführung für Scara-Roboter weiterzuentwickeln. Dafür musste man das Testlabor in Köln mit passendem Equipment ausstatten – u. a. mit einem Scara-Roboter, den Epson zu Testzwecken zur Verfügung stellte.
Mit diesem Scara-Roboter konnten sich die Entwickler der ersten Herausforderung annehmen: der Fertigung einer kugelgelagerten Drehanbindung. Hier konnte Igus sein Know-how beim Thema „Metall durch leichte Hochleistungskunststoffe ersetzen“ ebenso einbringen, wie seine Erfahrungen beim 3D-Druck. „Es lag nahe, die Drehanbindung vom 3D-Drucker aus Hochleistungskunststoff fertigen zu lassen und anschließend Metallkugeln einzusetzen“, unterstreicht Meyer. „Zu diesem Zeitpunkt des Entwicklungsstadiums ist der 3D-Druck in Sachen Zeit- und Kostenersparnis einfach unschlagbar.“
Dann widmeten sich die Entwickler der nächsten Herausforderung: eine Halterung für die Drehanbindung zu entwickeln. „Es war uns wichtig, dass es während des Betriebs des Roboters zu keiner Verwindung der Leitungsführung kommt. Wir haben deshalb den Anbindungspunkt über einen Bügel ins Zentrum der Drehachse gerückt.“
Tests mit 900 Zyklen pro Stunde
Nach Wochen des Tüftelns begann die Testphase. In seinem Schutzkäfig legte der Epson-Scara-Roboter mit Höchstgeschwindigkeit los. Und zunächst sah alles gut aus. Doch nach wenigen Minuten folgte die Ernüchterung. „Die 3D-gefertigte Drehanbindung und das integrierte Kugellager hielten den Belastungen nicht stand“, so Meyer weiter. „Um die Axialkräfte abzufangen, wurden deshalb zwei Standard-Kugellager der Serie xiros übereinander in die Außenschale eingepresst. Wir haben das Design der Anbindung zudem noch kompakter gestaltet, um Hebelkräfte zu reduzieren.“
Dann begannen die Ingenieure mit den nächsten Tests. Der Roboter absolvierte 900 Zyklen pro Stunde, 20.000 Zyklen pro Tag, beladen mit einer chainflex Steuerleitung und zwei Schläuchen mit Durchmessern von vier bis sechs Millimetern. „Die Tests zeigten uns, dass die Konstruktion alltagstauglich ist“, so Meyer. Seit Herbst 2020 ist die neue Scara Cable Solution ist entweder als Leerrohr oder auch direkt mit Leitungen konfektioniert erhältlich. „Mit der Scara Cable Solution haben wir ein Produkt entwickelt, das die Lebensdauer der Energieführung am Roboter maximiert und Stillstandszeiten eliminiert. Im nächsten Schritt möchten wir nun die Lösung an die Anbindungspunkte anderer Hersteller anpassen“, berichtet Meyer.
Igus GmbH
Spicher Str. 1a
51147 Köln
