Der krönende Abschluss

Bei Glidewell Laboratories arbeiten bald sieben UR5-Roboterarme. Sie bedienen jeweils vier CNC-Fräsmaschinen.

Normalerweise wartet ein Zahnarzt ab dem Zeitpunkt, an dem er den Abdruck eines Patientengebisses an das Labor sendet, fünf Tage, bis die fertige Krone zurückkommt. Diesen Prozess wollte Glidewell Dental Laboratories verkürzen. David Leeson, Technischer Leiter bei Glidewell, hatte bei seinen Recherchen nach potenziellen Automatisierungslösungen die kollaborierenden Roboterarme von Universal Robots entdeckt: „Ich hatte die Entwicklung dieser Leichtbau-Roboter schon eine ganze Zeit lang verfolgt. Und als ich hörte, dass Universal Robots bei BMW eingesetzt wird, war das ein klarer Vertrauensbeweis für diese neue Robotertechnik. Zu guter Letzt erhielt ich bei der Messe Automate die Möglichkeit, mich mit einem UR5 etwas näher vertraut zu machen. Dabei konnte ich feststellen, dass dieser Roboter eine echte Industriemaschine und kein Spielzeug ist“, sagte Leeson, der 2013 den ersten UR5-Roboter anschaffte und jetzt auf die Auslieferung des siebten wartet.

Glidewell Laboratories hat sich auf Kronen und Brücken, Keramik, Voll- und Teilprothesen, Zahnimplantate und Prothetikkomponenten sowie vollkeramische Restaurationen spezialisiert.

Unterbrechungsfreie Fertigung

Der UR5-Roboter optimiert den Fertigungsprozess, indem er eine zu fräsende Krone aus den Dispensern mit Rohlingen nimmt, die in 16 verschiedenen Farbtönen vorhanden sind, und diesen anschließend in die Fräsmaschine setzt. Nach zehn Minuten Fräszyklus entnimmt er ihn wieder und platziert ihn auf einem Transportband. Eine Sichtkamera, welche die Dispenser mit den verschiedenen Farbtönen überwacht, kommuniziert mit dem Roboter. Sobald ein Dispenser leer oder blockiert ist, führt das Visionssystem den Roboter zu einem Arbeitsablauf an einer Krone in einem anderen Farbton. So ist für eine unterbrechungsfreie Fertigung gesorgt, während das Dispenser-Problem in der Zwischenzeit von einem automatisch alarmierten Maschinenbediener gelöst wird.

Das maschinelle Sichtsystem überwacht die Rohlinge in 16 verschiedenen Farbtönen, die für die Kronen verwendet werden. Wenn ein Dispenser leer oder blockiert ist, wird der Bediener darauf aufmerksam gemacht und kann das Problem lösen. In der Zwischenzeit erhält der UR5 die Anweisung, den nächsten Auftrag in der Warteschlange auszuführen, um eine unterbrechungsfreie Fertigung sicherzustellen.

Dynamischer Einzelteilefluss optimiert Produktionszeiten

Da der Fräszyklus zehn Minuten dauert, machte es für Glidewell keinen Sinn, einen Bediener an der Maschine zu platzieren, der die Rohlinge manuell be- und entlädt. Stattdessen füllte das Labor die Kronen in Batches zu je 15 Stück, die nur alle zwei Stunden ausgetauscht werden mussten. „Mit dem UR-Roboter können wir jetzt jeden einzelnen Rohling sofort in die Fräse einsetzen, wenn wir die CAD-Scandaten erhalten haben, ohne auf das Eintreffen aller 15 warten zu müssen“, erläutert Leeson. Durch den dynamischen Einzelteilefluss des UR5-Roboters ließ sich die Produktionsdurchlaufzeit von 28 auf 17 Stunden reduzieren. „Unsere Kunden bekommen ihr Produkt schneller und in unserem Gesamtprozess fallen Effizienzvorteile an“, beschreibt der technische Leiter die Entwicklung.

Aufgrund des optimierten Fertigungsprozesses kann Glidewell zudem zwei Bediener je Schicht im Fräsraum einsparen. „Wir arbeiten rund um die Uhr. Der Roboter entlastet unsere Mitarbeiter, die sich auf die komplexeren Aufgaben konzentrieren können. Auch das wirkt sich positiv auf die Produktqualität aus“, so Leeson.

Nachdem der Abdruck vom Zahnarzt bei Glidewell eingegangen ist, wird er eingescannt und in eine 3D CAD-Wiedergabe umgewandelt, die zur Fräsmaschine geschickt wird.

Keine Trennung zwischen Mensch und Roboter

Kollaborierend bedeutet, dass der UR-Roboter nach vorangegangener Risikoanalyse ohne Schutzumhausung direkt neben Mitarbeitern zum Einsatz kommen kann. Möglich ist dies aufgrund der integrierten kraftsensorischen Technik. Die sorgt dafür, dass der Roboter seine Arbeit sofort einstellt, sobald er in Berührung mit einem Mitarbeiter kommt.

„Auf unserem Weg zur Automatisierung haben wir zunächst konventionelle Industrieroboter eingesetzt. Dazu mussten wir ein riesiges Gehäuse bauen und die Menschen vom Roboter fernhalten. Das ist teuer, platzraubend und wenig flexibel. Zusätzlich können Sicherheitsprobleme entstehen, wenn die Sicherheitsverriegelungen an einem Robotergehäuse manipuliert werden. Aufgrund der Kraftsensorik der Roboter von Universal Robots müssen wir uns darüber keine Gedanken mehr machen“, sagt der technische Leiter von Glidewell, nach dessen Einschätzung die kollaborierenden Roboter die Vorteile eines allmählichen Umstiegs von manuellen Fertigungen auf automatisierte Prozesse zunehmend ins Bewusstsein gebracht haben. „Die Arbeit mit einem kollaborierenden Roboter erfordert nach wie vor ein gewisses Maß an menschlichem Zutun. Das mögen unsere Mitarbeiter. So erleben sie den Roboter nicht als bedrohlich.”

Glidewell hat den UR5-Roboterarm mit einem SMC-Greifer mit selbst entwickelten Edelstahlfingern ausgerüstet.

Einfache Programmierung

Automatisierungsingenieur Daniel Phee hatte nie zuvor mit kollaborierenden Robotern gearbeitet und war überrascht, wie leicht sich der Roboter programmieren ließ: „Über die Bedienoberfläche auf dem Touchscreen lässt sich der Roboter sehr einfach einrichten. Ich habe dazu eine Kombination aus dem Teach-Verfahren und meinem eigenen Skript verwendet.“ Um die Roboterarme ohne große Zeitverluste und mit hoher Effizienz in den laufenden Betrieb zu integrieren, können neue Aufgaben, die der Roboter übernehmen soll, im sogenannten Teach-Modus schnell und unkompliziert programmiert werden. Dabei ergreift der Bediener einfach den Roboterarm und führt ihn über die Wegpunkte der gewünschten Aufgabe. Diese werden über ein Touchpad gespeichert.

Um die erste Anwendung bei Glidewell vollständig umzusetzen, waren rund fünf Monate erforderlich, großteils für die Konstruktion kundenspezifischer Fräsmaschinen und umfangreiche IT-Infrastrukturarbeiten. „Danach war alles ganz einfach. Bei den nächsten Robotern haben wir nur zwei bis drei Tage benötigt, um das komplette System zu installieren“, berichtet Daniel Phee.

Automatisierungsingenieur Daniel Phee nutzt eine Kombination aus Skript und „Teachverfahren“, um die UR5-Anwendung zu programmieren. Beim Teachverfahren ergreift der Bediener den Roboterarm und führt ihn über die gewünschten Wegpunkte.

Kommunikation mit externen Systemen

David Leeson war davon beeindruckt, dass Verbindungen zu externen Geräten Teil der nativen Fähigkeiten der UR-Roboter sind. „Statt Modbus oder ähnlich kostenintensive Lösungen anschaffen zu müssen, wollten wir mit dem Netzwerkprotokoll TCP/IP arbeiten, damit wir preisgünstige, nichtindustrielle Hardware einsetzen können. Das Ergebnis war die einfache Integration einer Bildverarbeitung, für die wir die gesamte Programmierung hausintern vornehmen und den Kauf eines teuren, proprietären Systems vermeiden konnten.“

Garant für nachhaltiges Wachstum

Glidewell Laboratories wächst seit seiner Gründung Jahr für Jahr. David Leeson betrachtet die robotergestützte Automatisierung als Schlüssel für die Aufrechterhaltung dieses Trends: „Wir werden demnächst drei bis vier weitere UR-Roboter anschaffen. Der einzige einschränkende Faktor ist im Augenblick, dass wir mehr Batchblöcke für die einzelnen Kronen benötigen. Sobald wir die haben, wollen wir weitere Roboter anschaffen, um den Eine-Krone-ein-Batch-Prozess umsetzen zu können. Außerdem untersuchen wir die Möglichkeiten für weitere Automatisierungsschritte in unserer Produktion, bei denen die UR-Roboter eine Schlüsselrolle spielen.“

Bestandskunden bilden einen zunehmenden Teil der Geschäfte, so Phil Hollingsworth, Senior Application Engineer von Sparkem Technology, dem Vertriebshändler für Universal Robots in Südkalifornien: „Wenn Hersteller erst einmal die Vorteile der UR-Roboter erlebt haben, erkennen sie, welche weiteren Produktionsaufgaben sie möglicherweise automatisieren könnten. Der Großteil unserer Kunden hat mit der Maschinenbestückung zu tun. Aber für uns zeichnet sich auch zunehmend ein neues, sehr vielfältiges Anwendungsfeld ab, das beispielsweise vom Testen von LED-Glühlampen bis hin zum Beladen und Entladen von Vial-Trays in der Biochemie reicht.“