EOS FORMIGA: Greifbarer Erfolg durch Additive Fertigung

Innovatives Greifersystem: Dank des optimierten Designs sind die vier Greifer auf dem Haltegerüst mit integrierter pneumatischer Führung signifikant leichter, bestehen aber trotzdem im anspruchsvollen Dauereinsatz (Quelle: Kuhn-Stoff).

Hannes Kuhn
Geschäftsführer Kuhn-Stoff GmbH & Co KG

„Wir benutzen die EOS-Technologie seit über acht Jahren und haben stets gute Erfahrungen gemacht. Die Konstruktionsfreiheit bietet, richtig eingesetzt, signifikante Vorteile, die unseren Kunden fast konkurrenzlosen Marktvorsprung bieten.“

Solche Greifer sind wahre „Ingenieurskunstwerke". Die Kuhn-Stoff GmbH & Co KG hat sich ganz dem Sondermaschinenbau unter Einsatz der EOS-Technologie verschrieben. Bei dem Verfahren härtet ein Laserstrahl Schicht für Schicht das jeweilige Bauteil für die Maschinen aus einem Kunststoffpulver aus. Auf diese Weise hat Kuhn-Stoff für die Wittmann Robot Systeme GmbH einen extrem leichten, kräftigen und haltbaren Bronchialgreifer entwickelt und produziert. Vier dieser Greifer sitzen auf einem Haltegerüst mit integrierter pneumatischer Führung.

Funktionsintegration: Strömt Druckluft in die flexible Membran, öffnen sich die Zangen des Greifers; entsprechend schließt das System bei Abfall der Druckluft (Quelle: Kuhn-Stoff).

Michael Tolz
Technischer Leiter Deutschland und Niederlassungsleiter Wittmann Robot Systeme GmbH in Nürnberg

„Wir setzen additiv gefertigte Bauteile seit Jahren in verschiedenen Bereichen der Automatisierung ein. Der Bronchialgreifer erfüllt alle unsere Anforderungen beziehungsweise übertrifft sie sogar. Das Bauteil verrichtet zuverlässig seinen Einsatz im Alltagsbetrieb.“

Herausforderung Gewichtsreduktion

Kuhn-Stoff überarbeitete für den Hersteller von Robotern und Automatisierungssystemen einen mechanischen Greifer, der Werkstücke aus einer Fertigungsmaschine über einen pneumatischen Mechanismus anhebt, weiterreicht und wieder ablegt. Dabei wurden folgende Anforderungen gestellt: Der Greifer sollte leichter sein als sein Vorgänger, gleichzeitig aber weiterhin die geforderten Lasten bewegen können. Die Komplexität der Konstruktion galt es zu vereinen, und das Bauteil musste hinsichtlich Effizienzkriterien bestehen können. Dass dem Gewicht besonderes Augenmerk zufiel, liegt an der Physik: Greifsysteme wie dieses müssen schnell arbeiten, damit sie pro Zeiteinheit möglichst viele Werkstücke weiterreichen können. Da alle Körper träge sind, muss eine Kraft auf sie einwirken, um sie in Bewegung zu versetzen – je schwerer ein Körper ist und je schneller er sich bewegen soll, desto größer sind folglich die erforderlichen Beschleunigungskräfte für die Geschwindigkeitszunahme und Bremswirkung. Vom energetischen Gesichtspunkt abgesehen hat diese Tatsache insbesondere negative Auswirkungen auf die Haltbarkeit des Systems: Je größer die einwirkenden Kräfte sind, desto höher ist der Verschleiß der Maschine.

Die Schichtbauexperten von Kuhn-Stoff hatten es sich deshalb zum Ziel gesetzt, das aufwendig konstruierte Vorgängerbauteil aus Aluminium, Gummischläuchen und zahlreichen Verbindungselementen signifikant einfacher zu gestalten und dadurch auch Gewicht zu reduzieren. Eine weiterere Gewichtseinsparung sollte durch die strukturelle Optimierung der verbliebenen Teile erreicht werden – einer der zentralen Vorteile der Additiven Fertigung. Schnell war absehbar, dass der neue Greifer „in einem Stück“, also ohne Nachbearbeitung oder weitergehende Montage, hergestellt werden kann.

Das Kunststoff Laser-Sinter-System FORMIGA P 110 von EOS ist zur direkten Herstellung von Serien, Ersatzteilen und Funktionsprototypen geeignet.

Lösung: Additive Fertigung

Die Mitarbeiter von Kuhn-Stoff untersuchten zunächst die Funktionsweise und den späteren Arbeitsauftrag des Greifers: Strömt Druckluft in eine flexible Membran, so öffnen sich die Zangen des Greifers; entsprechend schließt das System bei Abfall der Druckluft. Neben der Flexibilität des Kunststoffes sollte das Bauteil zudem um 90° drehbar sein, um den zugehörigen Bewegungsvorgang durchführen zu können. Unter Berücksichtigung dieser Vorgaben gelang es, die Zahl der erforderlichen Bauteile auf zwei zu reduzieren. Nach Abschluss des Designprozesses fertigte Kuhn-Stoff das neue Greifersystem innerhalb weniger Stunden mit einer FORMIGA P 100 aus Polyamid von Spezialisten für Additiven Fertigung der Firma EOS GmbH.

Dank der EOS-Technologie konnten die pneumatischen Anschlüsse und Kanäle vollständig in die Platte integriert werden. „Die Fertigung erfolgte wie üblich reibungslos und routiniert. Das Endergebnis hat einmal mehr alle Beteiligten enorm beeindruckt. In nur einem Arbeitsschritt konnten wir ein funktionsintegriertes Bauteil erstellen, das alle Anforderungen übertraf. Kurz: Die Additive Fertigung ist heute alltäglich, aber die Resultate sind immer noch außergewöhnlich“, schwärmt Hannes Kuhn, Geschäftsführer der Kuhn-Stoff GmbH.

Ergebnisse: beeindruckende Produktivitätssteigerung

Beim obersten Ziel, der Reduzierung des Gewichts, konnte Kuhn-Stoff eine Senkung von 86 % auf nur noch 220 g erzielen. Dennoch ist der Greifer in der Lage, die geforderten Lasten anzuheben – auch im anspruchsvollen Dauereinsatz: Nach 5 Mio. Zyklen brach das Team die Belastungsversuche ab, da die geforderte Lebensdauer erreicht war. Ein Ausfall oder Defekt war zu diesem Zeitpunkt nicht absehbar. Verantwortlich dafür ist die Steifigkeit der Konstruktion, die trotz der in die Platte integrierten Luftkanäle erreicht wurde. Des Weiteren ist ein Ausweichen des gesamten Systems bei kleineren Kollisionen ohne Beschädigung des Greifersystems und des Spritzgusswerkzeugs sichergestellt.

Das geringere Gewicht ermöglicht in einigen Fällen den Einsatz eines kleineren Robotertyps und führt deshalb zu einer signifikanten Kostenreduzierung. Außerdem konnte Wittmann die Anzahl der Arbeitszyklen wegen der geringeren Bauhöhe des Greifers und damit einer geringeren Öffnungsweite der Schließplatten der Spritzgießmaschinen steigern. Alles in allem wurden die Betriebskosten gesenkt und auch die Herstellungskosten konnten wegen der Gewichtsersparnisse und der Senkung der Komponenten von 21 auf zwei bereits um 50 % unter die des konventionell gefertigten Vorgängergreifers gedrückt werden. Ebenfalls nicht zu vernachlässigen ist die kurze Produktionszeit: Statt in zwölf Tagen stellte Kuhn-Stoff das Greifersystem jetzt in nur drei Arbeitstagen her.

„Wir sind extrem zufrieden mit dem neuen Greifersystem. Es bewährt sich ebenso gut wie die vorherige Einheit im harten Dauereinsatz, ist jedoch günstiger und leichter und lässt sich schneller produzieren. Einen Fortschritt im Greiferbau, wie ihn die Additive Fertigung für die Herstellung unseres Bronchialgreifers gebracht hat, habe ich bisher noch nicht erlebt. Die Produktionsmethode wirkt sich hier eindeutig positiv auf unsere Automatisierungslösungen aus“, fasst Michael Tolz, Technischer Leiter und Niederlassungsleiter bei der Wittmann Robot Systeme GmbH, zusammen. Manchmal hat eine Revolution eben doch handfeste Vorteile gegenüber der Evolution.