Additive Fertigung

6 Millionen Zyklen erreicht

Seinen Gelenkbaukasten für humanoide Roboter Robolink fertigt der Tribokunststoff-Spezialist Igus derzeit per Kunststoff-Lasersintern. Aufgrund der Komplexität von 18 Bauteilen in einem Gelenk rechnet sich das Verfahren bei den derzeitigen Stückzahlen – 2011 wurden 50 Baukästen verkauft − auf jeden Fall im Vergleich zu den sonst sehr hohen Spritzgusswerkzeug-Kosten.

Monika Corban, Freie Mitarbeiterin, CAD-CAM REPORT

Vor drei Jahren begann der Hersteller von Kunststoff-Gleitlagern und Energieführungsketten Igus damit, einen auf bionischen Prinzipien basierenden Gelenkbaukasten zur Konstruktion humanoider Robotiksysteme zu entwickeln. „Das erste entwickelte Gelenk ähnelt einem menschlichen Ellenbogen und vereint zwei Freiheitsgrade, also Schwenk- und Drehbewegung, in einem Gelenk“, erläutert Martin Raak, Entwicklungsleiter und Produktmanager Robolink. Der Antrieb erfolgt über Seilzüge, so dass die Antriebstechnik komplett von den bewegten Massen entkoppelt werden kann.

Da Igus traditionell alle Produkte im Spritzguss fertigt, wurden auch die Robolink-Teile anfangs dafür ausgelegt. „Im Rahmen der Konstruktion wuchs die Anzahl und Komplexität der Bauteile aber ständig weiter“, erinnert sich Raak. Das habe die Anschaffungskosten für Spritzgusswerkzeuge immer weiter nach oben getrieben. Um diese Investition nicht schon im Vorfeld einer Markteinführung tätigen zu müssen, entschied sich das Igus-Team, alternativ die Rapid-Prototyping-Verfahren Vakuumguss und Lasersintern zu testen. „Beides hat gut funktioniert“, erzählt Raak. „Da ich mich persönlich aber schon seit zehn Jahren mit der Produktentwicklung per SLS-Verfahren (Selektives Lasersintern) auseinander setze, lag die Idee nahe, auf dieses Verfahren als Fertigungstechnologie auszuweichen.“ Für ihn persönlich sei der Einstieg ins Lasersintern über Prototyping unabdingbar gewesen, betont der Entwicklungsleiter. „Hätte ich mich nicht vorher schon so viel mit dem Verfahren beschäftigt, hätte ich mich wohl kaum ohne weiteres dafür entschieden, dieses nun für Robolink zu nutzen.“

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Lasersinterteile passen gut zum Produkt

Obwohl die grundlegende Konstruktion der Bauteile zu diesem Zeitpunkt eigentlich schon abgeschlossen war, nutzte Raaks Team dennoch die Freiheiten, die das generative Herstellungsverfahren im Vergleich zum Spritzguss ermöglicht. „Als Firma ist für uns ganz wichtig, dass wir sehr viele Versuche mit den Teilen machen und die Entscheidung nicht auf Basis von Datenblättern fällen“, sagt Raak. „Erst wenn wir im Versuch feststellen, dass man damit arbeiten kann und wir auch die Schwachstellen in den Griff bekommen können, machen wir weiter.“ Im firmeneigenen Versuchslabor werden alle Produkte im Dauerbetrieb 24 h am Tag an sieben Tagen in der Woche getestet. Es war deswegen längst bekannt, dass lasergesinterte Teile über eine geringere Festigkeit und Steifigkeit verfügen, als spritzgegossene. „Aber bei diesem Produkt können wir mit der eingeschränkten Festigkeit und Steifigkeit gut leben“, betont der Produktmanager. „Da das ganze System mit Seilzügen angesteuert wird, ist es sowieso ein nachgiebiges, weiches System und kein hochfestes.“

Wo auch immer die Festigkeitsuntersuchungen Schwachstellen bei lasergesinterten Teile zeigten, wurde die Konstruktion angepasst und modifiziert − etwa Versteifungen und Verdickungen eingebracht. Die Konstruktion wurde aber auch dahingehend vereinfacht, dass sich nun Hinterschnitte realisieren ließen und Freiräume geschaffen wurden, die ohne Lasersintern nicht machbar gewesen wären. Mit Erfolg, denn inzwischen hat ein Gelenk im Testlabor bereits 6 Millionen Zyklen standgehalten. „Wir sind zuversichtlich, dass wir durch eine Verbesserung in der Konstruktion noch dieses Jahr 10 Millionen Zyklen erreichen können“, ist sich Raak sicher. Hier kommt ein weiterer Vorteil des Lasersinterns zum Zug: Die Möglichkeit, von Charge zu Charge Anpassungen vornehmen zu können, ohne dass dies hohe Folgekosten bei Werkzeugen nach sich zieht. „Die Geschwindigkeit, mit der wir neue Produkte präsentieren können, ist einfach unvergleichlich schneller, als wenn man das im Spritzguss macht.“

Raak gibt dennoch zu bedenken, dass es sich beim Lasersintern „sicherlich nicht um ein Knopfdruck-Verfahren handelt“, denn der erfolgreiche Umgang mit dem Verfahren setzt definitiv einen Umdenk- und Umlernprozess voraus. Nötig ist vor allem ein grundsätzlich anderes Konstruieren als für den Spritzguss. Und Raak ist überzeugt, dass dieser Prozess auch bei ihm noch nicht abgeschlossen ist. „Es ist ein ständiges Dazulernen – learning by doing − und es passieren auch Fehler.“ Junge Leute lernen das sehr schnell. Einer seiner Mitarbeiter sei frisch von der Uni und habe sich innerhalb kürzester Zeit da reingefunden. Inzwischen nutze er die Vorteile des Lasersinterns für die Konstruktion mit Leib und Seele.

Das Projekt Robolink wäre jedenfalls für Igus ohne das Lasersintern viel teurer geworden. „Darüber hinaus hatten wir so eine sehr schnelle Markteinführung“, hebt Raak einen weiteren Vorteil für den Hersteller hervor. „Und wir erweitern unseren Baukasten ständig.“ Und trotzdem schließt er nicht aus, dass der Gelenkbaukasten in zwei bis drei Jahren so am Markt etabliert sein wird, dass es sich dann lohnt, die Komponenten per Spritzguss zu fertigen. Allerdings werde die Entscheidung auch davon abhängen, was bis dahin materialtechnisch beim Lasersintern möglich sei, denn noch sei man da etwas eingeschränkt. Unter Umständen könne Igus sich jedoch dazu entscheiden, für diese Produktgruppe ganz beim Lasersintern zu bleiben. Ein weiterer Beleg dafür, dass das Unternehmen kein Imageproblem mehr mit lasergesinterten Teilen hat. Raak freut sich darüber, dass zumindest bei Igus die Zeiten vorbei seien, wo er von Kollegen aus dem Vertrieb für die oft styroporartig anmutenden Modelle belächelt wurde. „In physikalischen Tests konnten die Modelle oft überzeugen und lösten so einen positiven Überraschungseffekt aus.“

Igus GmbH, Köln Tel. 02203/9649-0, http://www.igus.de

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