Einem Scara-Roboter in der Industrie zuzusehen, kann Schwindel verursachen. Die horizontalen Gelenkarmroboter arbeiten rasant über vier Achsen. Innerer und äußerer Arm schwenken horizontal. Das Bauteil zum Greifen von Objekten, die sogenannte Kugelrollspindel, bewegt sich rotatorisch und linear. Somit erreicht der Roboterarm nahezu jeden Punkt in seinem Arbeitsradius – und das in hohem Tempo. Ein Pick-and-place-Zyklus beispielsweise, bei dem der Industrieroboter ein Bauteil greift, transportiert und ablegt, dauert im besten Fall nur rund eine Drittelsekunde.

Diese schnelle Bewegungen bringen Nachteile mit sich, wie ein Beispiel bei einem Automobilhersteller aus dem Schwabenland zeigt. Beim Hersteller arbeiten 40 Scara-Roboter in einer Produktionsstraße – so schnell, dass die mechanischen Arbeiter schnell verschleißen und viel Wartungsarbeit nötig ist. Die Roboter bewegen sich im 24/7-Dauerbetrieb mit Arbeitsgeschwindigkeiten von bis zu 2000 mm/s in der horizontalen Ebene. Aus diesem Grund werden jährlich die Energieleitungen und Schläuche der Scara-Roboter überprüft und meist aufgrund von Verschleiß ersetzt. Eine wirtschaftliche Alternative war gefragt.

Die Lebensdauer der Energieführung verdreifachen

Das Ziel des Automobilherstellers war, die Lebensdauer der Anbindungen mindestens zu verdreifachen. Der erste Schritt auf dem Weg dorthin: Der Spezialist für Kunststoffteile und Energieführungen Igus verstärkte den Wellschlauch, in dem sich Energieleitungen und Schläuche bewegen, mit einem Produkt namens ‚e-rib‘ – eine Art Skelett aus Hochleistungskunststoff, das sich in die Rillen des Schlauches setzt, sodass er sich nur noch in eine Raumrichtung bewegen kann. Anstatt hin- und herzuschlackern ist der Schlauch nun stabilisiert. Zudem wurden die vorderen und hinteren Anbindungspunkte, welche mit Kabelbindern an die Schläuche montiert sind, mit zwei Stützen aus Kunststoff verstärkt. In Kombination mit der e-rib ist der Schlauch somit stabil genug, um selbst 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 Anwender hat hier eine Drehanbindung aus Metall gefertigt. Mit Erfolg: Das gesamte System ist seit 2017 mit rund 6,8 Mio. Zyklen im Jahr ohne einen Austausch im Einsatz. Igus ist von dieser Kombination ebenso überzeugt und hat sich das Ziel gesetzt, alle Komponenten zu einer serientauglichen Energieführung für Scara-Roboter weiterzuentwickeln.

3D-Drucker beschleunigen Prototypenbau

Zu Anfang der Entwicklung musste sich das 3800 m² große Testlabor in Köln mit passendem Equipment ausstatten, darunter ein Scara-Roboter. Der Hersteller Epson Deutschland erklärte sich bereit, ein Modell der G6-Serie zu Testzwecken zur Verfügung zu stellen. Somit konnten sich die Entwickler der ersten Herausforderung annehmen: der Fertigung einer kugelgelagerten Drehanbindung. Hier kommt eine Besonderheit von Igus ins Spiel: Das Unternehmen ersetzt – wann immer es geht – Metall durch leichte Hochleistungskunststoffe, die auf minimale Reibung und Verschleiß ausgelegt sind und somit Antriebsenergie einsparen helfen; die Experten sprechen von einer tribologischen Optimierung.

Zudem hat der Betrieb in 3D-Drucker investiert, um für Anwender Prototypen und Ersatzteile zu drucken – eine kostengünstige Alternative zum Spritzguss, welcher eine aufwendige Fertigung von Spritzgusswerkzeugen mit sich bringt. Aus diesem Grund lag es nahe, die Drehanbindung aus Hochleistungskunststoff zu drucken und anschließend Metallkugeln einzusetzen. Die Entwickler begannen mit Tests und druckten Drehanbindungen mit unterschiedlichen Filamenten. Gleichzeitig widmeten sie sich der Entwicklung einer Halterung für die Drehanbindung, denn es ist wichtig, dass es während des Betriebs des Roboters zu keiner Verwindung der Leitungsführung kommt. Deshalb wurde der Anbindungspunkt über einen Bügel ins Zentrum der Drehachse gerückt.

Tests mit 900 Zyklen pro Stunde

In der Testphase bewegte sich der Scara-Roboter in einem Schutzkäfig mit Höchstgeschwindigkeit. Zunächst sah alles gut aus, doch nach wenigen Minuten hielten die 3D-gefertigte Drehanbindung und das integrierte Kugellager den Belastungen nicht mehr stand. Um die Axialkräfte abzufangen, wurden daher zwei Standard-Kugellager der Igus-Serie xiros übereinander in die Außenschale eingepresst. Gleichzeitig wurde das Design der Anbindung kompakter gestaltet, um Hebelkräfte zu reduzieren. Das Steck- und Schraubprinzip dieses Designs ermöglicht es, auf Kabelbinder zu verzichten.

Matthias Meyer ist Leiter Geschäftsbereich ECS triflex & Robotics bei igus.

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Die Ingenieure begannen schließlich 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 4 bis 6 mm. Die Tests zeigten, dass die Konstruktion alltagstauglich ist. Die neue Scara Cable Solution ist seit Herbst 2020 entweder als Leerrohr oder auch direkt mit Leitungen konfektioniert erhältlich. Im nächsten Schritt möchte Igus die Lösung an die Anbindungspunkte anderer Hersteller anpassen.