Industrie 4.0 und Robotikfertigung
Der Fertigungssektor befindet sich seit über einem Jahrzehnt in einemrasanten digitalen Wandel und setzt zunehmend Sensoren, mit dem Internet verbundene Geräte und cyber physische Produktionssysteme (CPPS) ein.
CPPS-Systeme gelten als Haupttreiber der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0) in der Fertigung.
Sie digitalisieren physische Prozesse und ermöglichen deren Optimierung mithilfe modernster Technologien wie Big Data, künstlicher Intelligenz und der Entwicklung leistungsstarker digitaler Zwillinge.
Dieser schnelle Wandel hat sich maßgeblich darauf ausgewirkt, wie Produkte hergestellt werden. Auch sinken dadurch in einigen Fällen die Eintrittsbarriere für kleinere Erstausrüster (OEMs) sowie die Investitionskosten. Dies ist ein Vorteil für die Entwicklung der Robotik, da kleinere Unternehmen nun wettbewerbsfähiger mit traditionellen größeren Akteuren konkurrieren können.
In diesem Kapitel untersuchen wir die hochmodernen Systeme und Technologien, welche die Beschleunigung der Robotikindustrie ermöglichen. Wir erläutern, wie die digitale Fertigung die Branche beschleunigt, indem sie den Zugang zu den für die Weiterentwicklung der Robotik erforderlichen Herstellungsprozessen erleichtert, einschließlich 3D-Druck, CNC Bearbeitung und Spritzguss.
Industrierobotik als Innovationstreiber
Industrieroboter sind eine der bekanntesten Arten von CPPS-Systemen. Sie bestehen aus physischen Komponenten, die Feldautomatisierungsprozesse durchführen und dabei von digital aktivierten, datengestützten Anwendungen gesteuert werden. Industrieroboter werden üblicherweise zur Automatisierung der folgenden beiden Arten von Fertigungsaufgaben eingesetzt:
- Tätigkeiten, die sich wiederholen, wie z. B. Lackieren, Palettieren und Montieren von Produkten. Industrieroboter können derartige Prozesse schneller und effizienter als Menschen durchführen, da sie nicht ermüden und Flüchtigkeitsfehler vermieden werden.
- Gefährliche Aufgaben wie Materialhandhabung, Lichtbogenschweißen und CNC-Überwachung. Diese Aufgaben finden oft in rauen Umgebungen statt, sind gefährlich auszuführen oder beinhalten den Umgang mit gefährlichen Stoffen.
Industrieroboter ermöglichen flexible, skalierbare und effiziente Produktionsabläufe. Im Gegensatz zu menschlichem Personal können sie Arbeiten rund um die Uhr schnell, sicher und kostengünstig verrichten. Sie werden mittlerweile zur Unterstützung vieler verschiedener Automatisierungsprozesse in Fabriken eingesetzt.
Industrieroboter gelten auch als eine der leistungsstärksten Methoden zur Automatisierung und zum Aufbau flexibler Produktionslinien, die kundenspezifische Produktionsmodelle wie etwa Einzelanfertigungen ermöglichen. Das letztere Modell führt zur flexibilisierten Massenproduktion, d. h. zur Herstellung hochgradig maßgeschneiderter Produkte zu ähnlich günstigen Stückpreisen wie bei Großserien. Industrieroboter können Produktionslinien automatisch neu konfigurieren, um alternative
Produktvarianten mit begrenztem oder sogar ohne menschlichen Eingriff herzustellen. Dennoch stößt dieser flexible Fertigungsansatz allmählich an seine Grenzen, da bei stark unterschiedlichen Produkten nicht nur die Produktionslinie neu konfiguriert werden muss, sondern auch andere Maschinen erforderlich sind. Dies gilt speziell bei der Herstellung eines neuen Produkts. Der Aufwand für die Entwicklung eines Produktionssystems für ein neues Produkt ist deutlich höher als für die Herstellung eines bestehenden Produkts in einer anderen Ausführung.
Dies führt zu einem neuartigen Einsatz von Industrierobotern, um neue Maschinen zu produzieren, die eine beispiellose Skalierbarkeit und Effizienz in der Produktion ermöglichen. Seit einigen Jahren werden Industrieroboter zunehmend eingesetzt, um Maschinenteile oder sogar ganze Industriemaschinen von Grund auf neu zu bauen. Die Industrieroboter nutzen zu diesem Zweck digitale Maschinenmodelle und neue Technologien wie die additive Fertigung.
Fertigung als Dienstleistung: Wenn Maschinen Maschinen bauen
Ein wichtiger Faktor für die Weiterentwicklung innovativer Robotiklösungen ist die Nutzung digitaler Modelle, um Manufacturing as a Service (MaaS) zu ermöglichen. MaaS- oder digitale Fertigungsplattformen bieten Zugang zu verschiedenen Fertigungsprozessen wie 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Spritzguss. Kunden können ihre Teiledesigns einfach hochladen, um schnell ein Angebot einschließlich Fertigungskosten und Vorlaufzeiten zu erhalten.
Die digitale Fertigung bietet Designteams jeder Größe Zugang zu modernen Herstellungsprozessen, mit niedrigen Investitionskosten, transparenten Vorlaufzeiten sowie Design- und Iterationsunterstützung.
Robotikgestützte Fertigungsmodelle bieten:
- Flexibilität, da sie die Entwicklung vielfältiger Maschinen mit minimalem menschlichem Eingriff ermöglichen können
- Widerstandsfähigkeit durch eine einfachere Umstellung der Produktion sowie ein schnelles und effektives Reagieren bei Nachfrageschwankungen und Lieferengpässen
- Skalierbarkeit, die zur Verringerung von Engpässen bei der Entwicklung neuer Maschinen beiträgt
- Lieferketteneffizienz, indem die Beteiligten sofortigen Zugriff auf Datenmodelle von Maschinen oder deren Bauteile erhalten
Vorteile der digitalen Fertigung für die Robotik
Schnelle, einfach zugängliche Prototypenherstellung
Die digitale Fertigung ermöglicht es, Robotik-Prototypen remote zu entwickeln, zu testen und zu bewerten. Dadurch verkürzt sich möglicherweise der Entwicklungszyklus, und es besteht die Möglichkeit, die Prototypen in unterschiedlichen Umgebungen zu testen. Durch den Versand und die Bestellung von Teilen können Entwicklungsteams auf der ganzen Welt auf eine qualitativ hochwertige Fertigung zugreifen.
Zugang zu fortschrittlichen Fertigungstechnologien
Die digitale Fertigung bietet Zugang zu fortschrittlichen Fertigungstechnologien wie dem 3D-Metalldruck und der CNC-Bearbeitung.
Datengestütztes Design
Die digitale Fertigung kann die Erfassung und Analyse großer Datenmengen über die Systemleistung von Robotern ermöglichen. Dies kann als Grundlage für den Designprozess dienen und die Leistung des Endprodukts verbessern.
Kollaboratives Design
Die digitale Fertigung ermöglicht die standortunabhängige Zusammenarbeit zwischen Designern, Ingenieuren und anderen Beteiligten. Dies ermöglicht die Kommunikation und Zusammenarbeit bei der Entwicklung eines Roboters in Echtzeit, was zu einer effizienteren und effektiveren Entwicklung führen kann. Einige digitale Fertigungsplattformen bieten ein für alle Beteiligten zugängliches Design-Portal, sodass diese parallel an Entwürfen arbeiten und dadurch die Design- und Entwicklungsphase weiter verkürzen können.
Kostenreduzierung
Die digitale Fertigung kann die Kosten für die Roboterentwicklung senken, indem Prototypen in kleinen Stückzahlen und zu festen Materialpreisen gefertigt werden.
Wichtige digitale Fertigungsprozesse: 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Spritzguss
Beim 3D-Druck wird ein Teil Schicht für Schicht anhand eines CAD-Modells aufgebaut. In der Robotikfertigung hat der 3D-Druck zu neuen Designmethoden geführt, die eine schnelle und kostengünstige Prototypenherstellung und Iterationen ermöglichen. Da hierfür bereits das Material des Endprodukts verwendet wird, lassen sich genaue Tests durchführen. Derzeit wird daran gearbeitet, Roboter mittels 3D-Druck im großen Maßstab und nach Bedarf zu fertigen.
Der 3D-Druck bietet endlose Möglichkeiten in Bezug auf Geometrien und Materialien, die andere Methoden möglicherweise nicht liefern können, und eignet sich daher optimal für Robotikprojekte.
Vorteile des 3D-Drucks in der Robotikindustrie
- Fähigkeit, einzigartige Designmerkmale zu erstellen
- Schnelle Prototypenherstellung
- Design versatility
- Vielfältige Designs und komplexe Geometrien, einschließlich Gitterstrukturen
- Deutliche Gewichtsreduzierung gegenüber anderen Herstellungsverfahren mit denselben Materialien
- Abfallreduzierung (additiver statt subtraktiver Prozess)
Der 3D-Druck kann besonders nützlich bei der Entwicklung und Herstellung von Kameras, Motoren, Sensoren, Mikrocontrollern, Manipulatoren und Roboterarmen sein. Auf die Erweiterung der für den 3D-Druck verfügbaren Materialpalette gehen wir im Abschnitt „Materialien“ näher ein. Früher war der 3D Druck auf eine begrenzte Auswahl an Kunststoffen beschränkt. Heute können damit auch Metalle, Keramik und flexible Materialien gedruckt werden.
Die CNC-Bearbeitung, die sowohl Fräsen als auch Drehen umfasst, ist ein wertvoller Herstellungsprozess für die Roboterentwicklung und Endfertigung. Die automatisierte CNC-Bearbeitung eignet sich optimal für die Prototypenherstellung und Kleinserien. Robotikentwickler erhalten damit gefertigte Teile mitunter innerhalb weniger Tage. CNC bietet engere Toleranzen als andere Verfahren. Die 5-Achsen-Bearbeitung ermöglicht außerdem die Fertigung hochkomplexer Teile und Varianten. Dies ist wichtig, wenn präzise, wiederholbare Bewegungen erforderlich sind. Schließlich ermöglicht das Verfahren eine kontrollierte Oberflächenveredelung, um die Reibung bei ineinandergreifenden Teilen zu minimieren. Die CNC-Bearbeitung eignet sich somit optimal, um kundenspezifische Teile in kleinen Stückzahlen zu fertigen, wie sie in der Robotik oft nur erforderlich sind.
Vorteile der CNC-Bearbeitung in der Robotikindustrie:
- Präzisionsteile (wichtig für das reibungslose Ineinandergreifen von Robotikkomponenten)
- Robuste, langlebige Materialien
- Fertigung komplexer Formen und dadurch mehr Flexibilität beim Design
- Schnell und effizient
- Glatte Oberflächen für ein reibungsloses Ineinandergreifen der Teile
- Die CNC-Bearbeitung eignet sich unter anderem für die Fertigung von Zahnrädern, Endeffektoren, kundenspezifischen Vorrichtungen, Motoren, Komponenten und vieles mehr
Spritzguss eignet sich für Kunststoffe, Flüssigsilikone sowie zum Umspritzen und für den Einlegeteil-Spritzguss. Er bietet eine wiederholbare Option für die Herstellung von Großserien. Da immer wieder dasselbe Werkzeug bzw. dieselbe Form verwendet wird, lassen sich damit kostengünstig einheitliche und maßhaltige Teile fertigen. Neuere Spritzgussverfahren eignen sich auch für die Herstellung von Prototypen zu Testzwecken. Der Spritzguss ist nicht das Hauptverfahren für die Herstellung von Robotikkomponenten, wird aber dennoch oft für die Produktion von Gehäusen, Rahmen, Zahnrädern und Kamerahalterungen verwendet. Durch die Einführung der Softrobotik gewinnt auch speziell das LSR Verfahren an Bedeutung.
Vorteile von Spritzguss in der Robotikindustrie
- Präzisionsteile
- Reproduzierbarkeit
- Geringes Gewicht (Kunststoffteile)
- Skalierbarkeit
- Schnelle Prototypenherstellung
Die digitale Fertigung vereinfacht den Einsatz von Hunderten von Robotern in Fabrikhallen sowie deren Zusammenarbeit für eine durchgängige Automatisierung.
Darüber hinaus ermöglicht die digitale Fertigung eine skalierbare On-Demand-Automatisierung nach dem Umlageverfahren („Pay as you go“). Mithilfe des 3D-Drucks und der CNC-Bearbeitung können Roboter außerdem schnell automatisch andere Roboter herstellen. Dies ist ein Ausgangspunkt für hyperautomatisierte und skalierbare Fertigungssysteme, die ihre eigenen Komponenten bauen.
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