Komponenten für Robotik und Automatisierung: Leichtbau, Präzision und Materialwahl

Wo diese Branche steht

Die Branche für Komponenten für Robotik und Automatisierung umfasst alle Bauteile, die in Industrierobotern, kollaborativen Robotern (Cobots), Förderanlagen, Prüfautomaten oder medizinischen Automatisierungssystemen verbaut werden. Typische Teile umfassen:

• Leichte Tragstrukturen für Roboterarme (z. B. Armelemente, Gelenkhalterungen)
• Präzise Schnittstellen für Sensoren, Aktuatoren oder Werkzeuge (z. B. Flansche, Adapterplatten)
• Gehäuse für Steuerungen oder Antriebe
• Führungs- und Befestigungselemente für Linearachsen

Die Produktionsvolumina variieren stark: Für Serienanwendungen wie Standard-Cobots werden Teile in Losgrößen von 100 bis 10.000 Stück gefertigt, während für spezielle Industrieroboter oder medizinische Systeme Losgrößen von 1 bis 100 Stück üblich sind.

Wichtige Materialien sind vor allem Aluminiumlegierungen (z. B. 6061, 7075) und Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe (CFK). Aluminium wird wegen seiner guten Zerspanbarkeit, hohen Festigkeit bei geringem Gewicht und vergleichsweise niedrigen Kosten gewählt. CFK kommt zum Einsatz, wenn maximale Steifigkeit bei minimalem Gewicht erforderlich ist – beispielsweise bei langen Roboterarmen, die ohne Durchbiegung hohe Geschwindigkeiten erreichen müssen.

Die Kaufentscheidungen der Kunden werden von drei Hauptfaktoren bestimmt:

1. Leichtbau und Steifigkeit: Teile müssen so leicht wie möglich sein, um die Trägheit von bewegten Systemen zu reduzieren und deren Geschwindigkeit sowie Genauigkeit zu erhöhen. Gleichzeitig dürfen sie unter Belastung nicht durchbiegen oder vibrieren.
2. Präzision: Passgenaue Schnittstellen sind erforderlich, um Sensoren oder Aktuatoren exakt zu positionieren – auch bei wiederholter Bewegung oder Temperaturschwankungen.
3. Kosten: Gerade bei Serienanwendungen müssen die Herstellungskosten im Rahmen bleiben, ohne dass Präzision oder Materialeigenschaften beeinträchtigt werden.

Was die Teile tatsächlich erfordern

Die Anforderungen an Komponenten für Robotik und Automatisierung sind spezifisch und unterscheiden sich deutlich von vielen anderen Branchen:

• Toleranzbereiche: Für Präzisionsschnittstellen (z. B. Flansche für Aktuatoren) werden oft Toleranzen von ±0,005 mm oder enger verlangt. Bei Tragstrukturen liegen die Toleranzen meist zwischen ±0,01 mm und ±0,05 mm, je nach Einbauort.
• Oberflächenanforderungen: Oberflächen müssen oft glatt (Ra ≤ 0,8 µm oder besser) und frei von Graten sein, um Passungen zu gewährleisten oder Verschleiß zu reduzieren. Bei Aluminiumteilen wird zusätzlich häufig eine Oberflächenbehandlung wie Eloxieren verlangt, um Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.
• Materialeigenschaften: Bei Aluminiumteilen wird oft eine Wärmebehandlung verlangt, um die Festigkeit zu erhöhen (z. B. T6-Härte für 6061-Aluminium). Bei CFK-Teilen müssen die Faserorientierung und die Verarbeitung so gewählt werden, dass die Steifigkeit in den relevanten Richtungen (z. B. entlang der Längsachse eines Roboterarms) maximiert wird.
• Zykluszeitdruck: Gerade bei Serienanwendungen müssen Teile schnell gefertigt werden, um Lieferzeiten einzuhalten. Bei Losgrößen über 1.000 Stück werden oft Zykluszeiten von unter 10 Minuten pro Teil verlangt.

Maschinen- und Prozessauswahl

Die Wahl der richtigen Maschine hängt von der Art des Teils, dem Material und den Anforderungen ab. Hier die wichtigsten Kategorien und ihre Eignung:

1. Vertikale Bearbeitungszentren (VBZ): Diese Maschinen eignen sich für die meisten Aluminiumteile, insbesondere für Tragstrukturen und einfache Schnittstellen. Für Teile mit hohen Präzisionsanforderungen (Toleranzen unter ±0,01 mm) eignet sich das Modell GA-DV750: Es verfügt über eine Positioniergenauigkeit von 0,003 mm, eine Wiederholgenauigkeit von 0,0024 mm und einen Hochgeschwindigkeits-Elektrospindel mit 30.000 U/min, die für die Zerspanung von Aluminium optimal ist. Für größere Aluminiumteile mit geringeren Präzisionsanforderungen (Toleranzen ab ±0,01 mm) ist das GA-MV856 geeignet: Es hat einen größeren Arbeitsbereich (X/Y/Z: 800/550/600 mm) und eine höhere Tischbelastung von 500 kg.
2. 5-Achsen-Bearbeitungszentren: Diese Maschinen sind erforderlich, wenn Teile komplexe Geometrien haben (z. B. gekrümmte Tragstrukturen für Roboterarme) oder wenn mehrere Seiten eines Teils in einer Aufspannung bearbeitet werden müssen, um Passgenauigkeiten zu gewährleisten. Für kleine bis mittlere Aluminiumteile mit hohen Präzisionsanforderungen eignet sich das GA-FA500: Es hat eine Positioniergenauigkeit von ≤0,008 mm und einen Elektrospindel mit 20.000 U/min. Für größere Teile mit höheren Anforderungen an Steifigkeit ist das GA-UHD500 geeignet: Es hat einen Arbeitsbereich von 800/800/800 mm, eine Positioniergenauigkeit von 0,006 mm und eine Spindel mit 130 Nm Drehmoment.
3. Bohr- und Gewindeschneidzentren: Diese Maschinen eignen sich für einfache Serienteile wie Adapterplatten oder Befestigungselemente. Das GA-VT540 hat eine Positioniergenauigkeit von 0,006 mm, eine Werkzeugwechselzeit von nur 1,2 Sekunden und ist damit ideal für die schnelle Bearbeitung von Serienteilen.
4. CNC-Drehmaschinen: Diese Maschinen werden für rotationssymmetrische Teile wie Gelenkwellen oder zylindrische Flansche verwendet. Das GA-TMY6555 (Dreh-Fräs-Kombination mit Y-Achse) eignet sich für komplexere rotationssymmetrische Teile, die zusätzlich gefräst werden müssen.

Für CFK-Teile gelten besondere Anforderungen: Da CFK abrasiv ist, werden spezielle Werkzeuge (z. B. Diamantwerkzeuge) benötigt. Die Maschine muss zudem eine hohe Spindelgeschwindigkeit haben, um die abrasiven Eigenschaften des Materials zu kompensieren. Das GA-DV750 mit seiner 30.000 U/min-Spindel ist auch für die Bearbeitung von CFK geeignet.

Wo Werkstätten Fehler machen

Die häufigsten und teuersten Fehler bei der Bearbeitung von Komponenten für Robotik und Automatisierung sind:

1. Falsche Maschinenwahl für Präzisionsteile: Viele Werkstätten verwenden Maschinen mit unzureichender Genauigkeit für Teile mit Toleranzen unter ±0,01 mm. Beispielsweise ist das GA-MV856 mit einer Positioniergenauigkeit von 0,010 mm nicht geeignet für Teile, die Toleranzen von ±0,005 mm erfordern – dies führt zu Ausschuss oder Nachbearbeitungskosten, die oft 20 bis 30 % der Produktionskosten ausmachen.
2. Unzureichende Aufspannung: Bei der Bearbeitung von langen oder dünnen Aluminiumteilen (z. B. Roboterarmelemente) wird oft keine ausreichende Aufspannung verwendet. Dies führt zu Durchbiegungen während der Bearbeitung, die die Präzision des Teils beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, müssen spezielle Aufspannvorrichtungen verwendet werden, die das Teil an mehreren Punkten abstützen.
3. Falsche Werkzeugwahl für CFK: Viele Werkstätten verwenden Standardwerkzeuge für die Bearbeitung von CFK. Da CFK abrasiv ist, nutzen sich diese Werkzeuge schnell ab, was zu ungenauen Teilen und hohen Werkzeugkosten führt. Spezielle Diamantwerkzeuge sind erforderlich, um die Standzeit zu erhöhen und die Präzision zu gewährleisten.
4. Fehlende Temperaturkontrolle: Aluminium und CFK haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei der Bearbeitung von Teilen, die aus beiden Materialien bestehen, oder bei der Bearbeitung von Aluminiumteilen in Umgebungen mit starken Temperaturschwankungen kann die Temperaturausdehnung die Präzision beeinträchtigen. Viele Werkstätten berücksichtigen dies nicht, was zu Ausschuss führt.

Ehrliche Einschränkungen

Es gibt Jobs in der Branche, für die die oben genannten Ansätze nicht gut geeignet sind:

1. Sehr große CFK-Tragstrukturen: Teile wie lange Roboterarme für Schwerlastroboter (Länge über 2 Meter) können mit Standard-Bearbeitungszentren nicht genau genug gefertigt werden. Die Durchbiegung des Teils während der Bearbeitung ist zu groß, um Toleranzen unter ±0,1 mm zu gewährleisten. Für solche Teile sind spezielle große 5-Achsen-Maschinen mit zusätzlichen Abstützsystemen erforderlich.
2. Komplexe CFK-Teile mit integrierten Funktionen: Teile wie CFK-Strukturen mit integrierten Sensoren oder Aktuatoren können nicht mit Standard-Bearbeitungsprozessen gefertigt werden. Die Integration der Funktionen erfordert spezielle Verarbeitungstechniken, die über die Standard-Zerspanung hinausgehen.
3. Serien von über 10.000 Stück mit extrem niedrigen Kosten: Für Serien von über 10.000 Stück sind Zerspanungsprozesse oft zu teuer. In solchen Fällen sind alternative Herstellungsverfahren wie Spritzguss (für Kunststoffteile) oder Schmieden (für Metallteile) günstiger.
4. Teile mit extrem hohen Anforderungen an Oberflächenglätte: Teile wie optische Schnittstellen für Sensoren erfordern Oberflächenglätten von Ra ≤ 0,1 µm. Diese können mit Standard-Bearbeitungsprozessen nicht erreicht werden; zusätzliche Verfahren wie Polieren oder Läppen sind erforderlich.

Vergleichstabelle: Maschinenkategorien vs. typische Teile

Praktische Checkliste zur Bewertung einer Maschine für diese Branche

Verwenden Sie diese Checkliste, um zu prüfen, ob eine Maschine für die Bearbeitung von Komponenten für Robotik und Automatisierung geeignet ist:

1. Genauigkeit: Hat die Maschine eine Positioniergenauigkeit von mindestens 0,01 mm (für Teile mit Toleranzen ab ±0,01 mm) oder 0,005 mm (für Teile mit Toleranzen unter ±0,01 mm)?
2. Spindel: Hat die Maschine eine Spindelgeschwindigkeit von mindestens 12.000 U/min (für Aluminium) oder 20.000 U/min (für CFK)?
3. Arbeitsbereich: Passt der Arbeitsbereich der Maschine zur Größe Ihrer Teile?
4. Tischbelastung: Kann die Maschine das Gewicht Ihrer Teile und Aufspannvorrichtungen tragen?
5. Werkzeugwechselzeit: Ist die Werkzeugwechselzeit unter 2 Sekunden (für Serienteile) oder unter 5 Sekunden (für Einzelteile)?
6. Aufspannung: Kann die Maschine mit spezialisierten Aufspannvorrichtungen ausgestattet werden, um Durchbiegungen bei langen oder dünnen Teilen zu vermeiden?
7. Temperaturkontrolle: Hat die Maschine eine Temperaturregelung für Spindel und Arbeitsbereich, um Temperaturschwankungen auszugleichen?

FAQ

1. Frage: Welches Material ist besser für Roboterarme: Aluminium oder CFK? Antwort: Das hängt von den Anforderungen ab. Aluminium ist günstiger, einfacher zu bearbeiten und ausreichend für die meisten Standard-Roboterarme. CFK ist leichter und steifer, aber teurer und schwieriger zu bearbeiten. Es eignet sich für Roboterarme, die hohe Geschwindigkeiten erreichen müssen oder bei denen jedes Gramm Gewicht zählt (z. B. bei mobilen Robotern).

2. Frage: Kann ich CFK-Teile mit einer Standard-Vertikalbearbeitungsmaschine bearbeiten? Antwort: Ja, aber nur, wenn die Maschine eine hohe Spindelgeschwindigkeit (mindestens 20.000 U/min) hat und Sie spezielle Diamantwerkzeuge verwenden. Das Modell GA-DV750 mit seiner 30.000 U/min-Spindel ist beispielsweise geeignet.

3. Frage: Wie kann ich Durchbiegungen bei der Bearbeitung von langen Aluminiumteilen vermeiden? Antwort: Verwenden Sie spezielle Aufspannvorrichtungen, die das Teil an mehreren Punkten abstützen. Reduzieren Sie zudem die Schnittgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit, um die Kräfte während der Bearbeitung zu verringern.

4. Frage: Welche Toleranzen sind für Präzisionsschnittstellen erforderlich? Antwort: Für Schnittstellen, die Sensoren oder Aktuatoren positionieren, werden oft Toleranzen von ±0,005 mm oder enger verlangt. Für weniger kritische Schnittstellen reichen Toleranzen von ±0,01 mm bis ±0,02 mm.

5. Frage: Ist eine 5-Achsen-Maschine immer erforderlich für komplexe Teile? Antwort: Nicht immer. Wenn ein Teil in mehreren Aufspannungen bearbeitet werden kann und die Passgenauigkeiten zwischen den Seiten nicht kritisch sind, reicht eine 3-Achsen-Maschine. Für Teile, die mehrere Seiten in einer Aufspannung erfordern, um Passgenauigkeiten zu gewährleisten, ist eine 5-Achsen-Maschine erforderlich.

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