Das Entwickeln und Fertigen von Greifern für Handhabungsaufgaben kleiner Stückzahlen ist zeitaufwändig und teuer. Insbesondere dann, wenn sich das zu handhabende Produkt stetig verändert. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben Forscher vom Zentrum für Additive Produktion (ZAP) am Fraunhofer IPA ein Verfahren entwickelt, mit dem sich mehrkomponentige Greifer schnell und kostengünstig herstellen lassen.

Die Anforderungen der Industrie

Begonnen hat das Projekt bei Henkel in Düsseldorf. Beim Industrie- und Konsumgüterproduzenten entnehmen Roboter Kunststoffflaschen aus einer Abfüllanlage und führen sie ihrer weiteren Verarbeitung zu. Bestückt sind sie mit einem zweiteiligen Greifer, dessen Grundkörper bisher aus Aluminium besteht. Die Greiferbacken sind aus einem Elastomer gefertigt, damit die Flaschen nicht beschädigt werden oder abrutschen. Da sich Henkels Produktpalette ständig weiterentwickelt, müssen die Greifer immer wieder ausgetauscht werden. Bisher mussten die Gussformen, mit denen die Elastomer-Greifelemente hergestellt werden, für jeden Greifer eigens produziert werden. Anschließend verschraubte ein Monteur die Greiferbacken von Hand mit dem Grundkörper.

Automatisiertes Fertigungsverfahren senkt Kosten

Die Wissenschaftler vom ZAP haben daher ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Greifer schneller und deutlich kostengünstiger in einem Fertigungsschritt herstellen lassen: das sogenannte additive Freiformgießen, eine Kombination aus 3D-Druck und Schwerkraftguss. Herstellungsprozess größtenteils automatisiert Bei der Fertigung kommen zwei Druckköpfe und eine Dosiereinheit zum Einsatz. Der Grundkörper des Greifers und das Stützmaterial werden mit dem FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) gedruckt und bilden den steifen Teil des Greifers sowie eine Gussform. Als Druckmaterial für den Grundkörper verwenden die Forscher thermoplastische Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styro-Copolymer (ABS). Die Stützstruktur hingegen besteht aus einem wasserlöslichen Kunststoff wie Polyvinylacetat (PVA).

Um das Zweikomponenten-Silikon für die Greiferbacken während des Herstellprozesses vergießen zu können, haben die Wissenschaftler eine spezielle Dosiereinheit in den 3D-Drucker integriert. Dabei werden Silikone von Henkel verwendet, die einer- seits viskos genug sind, um Details und Kavitäten auszufüllen und andererseits die Anforderungen der Tropf- und Aushärtezeit erfüllen. Sobald der Herstellungsprozess abgeschlossen und das Silikon ausgehärtet ist, wird die Stützstruktur im Wasserbad entfernt. So entsteht ein Bauteil mit gleichzeitig steifen und elastischen Materialeigenschaften. »Das additive Freiformgießen ist ein Herstellungsprozess, der größtenteils automatisiert abläuft«, sagt Jonas Fischer, einer der beteiligten Forscher am Fraunhofer IPA. »Man muss dem 3D-Drucker nur die CAD-Daten übermitteln und dann kann er den Greifer selbstständig fertigen. Eine Nachbearbeitung von Hand ist nicht nötig und Abfall wird weitestgehend vermieden.«

Den Greifer aus dem Drucker zu nehmen und ihn ins Wasserbad zu setzen, ist der einzige Arbeitsschritt, der derzeit noch von Hand erledigt werden muss.