Small Robot Company
Protolabs trägt zur vierten Agrarrevolution bei
Die Small Robot Company revolutioniert derzeit den Ackerbau. Ihre autonomen, präzisen Agrarroboter sind die innovative Antwort auf die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts: Laut UN-Prognosen muss die Nahrungsmittelproduktion bis 2050 um 70 % gesteigert werden, um die Weltbevölkerung zu ernähren – auf bestehenden Ackerflächen und ohne weitere Ökosysteme zu zerstören.
Traktoren und ähnliche Maschinen sind nicht mehr die beste Lösung für diese weltweite Herausforderung. Die grundlegende Technologie existiert bereits, um Lebensmittel günstiger, genauer und mit weniger Abfall zu produzieren. Autonome Roboter sind mitunter bereits ein vertrauter Anblick auf den Feldern, angefangen von Pflückrobotern in Obstplantagen bis hin zu selbstfahrenden Feldspritzen. Das Besondere an den fortschrittlichen Entwicklungen der Small Robot Company ist, dass dazu neben Servicedesignern, Ingenieuren und Professoren auch die Landwirte selbst beitragen. Die Maschinen vereinen hochmoderne Robotertechnologie mit künstlicher Intelligenz: ein neues Modell regenerativer und rentabler Landwirtschaft. Die Roboter sind in der Lage, jede Pflanze einzeln zu erkennen. Dabei sticht der Tom V4 hervor.
Hier erfahren Sie, wie Protolabs als weltweit führender digitaler Hersteller zur Entwicklung und Konstruktion der revolutionären Hardware beigetragen hat.
„Über die Angebotsplattform von Protolabs erhalten wir im Handumdrehen Angebote sowie Feedback zur Machbarkeit unserer Designs. Dadurch konnten Probleme bereits im Vorfeld der Produktion angegangen und behoben werden. Das ist äußerst praktisch, zudem lassen sich die Dateien sehr einfach hochladen.“
Rhian Griffith, Maschinenbauingenieur bei der Small Robot Company
Das Produkt
Der Tom V4 ist ein Scanroboter. Er erkennt und erfasst jede einzelne Pflanze – sowohl Kulturpflanzen als auch Unkraut – und kann dadurch die optimale Behandlung bestimmen. Die Informationen der Einzelpflanzenerkennung („Per Plant Farming“) werden zur Steuerung der Düsen und Teilbreiten genutzt, um eine variable Düngemittelanwendung und punktgenaue Herbizidausbringung zu ermöglichen.
Die Small Robot Company hat derzeit fünf funktionsfähige Roboter vom Typ Tom V4 im Einsatz, um Landwirten technologische Dienstleistungen anzubieten. Sie dienen gleichzeitig als Basis für die Weiterentwicklung der Agrarrobotik.
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3D-Druck von zwei verschiedenen Teilen für den neuesten Agrarroboter der Small Robot Company – eine Halterung für den SSD-Datenspeicher und eine Abdeckung für das empfindliche Lenkaktuators– in einem sehr engen Zeitfenster.
Nutzung der effizienten Angebotsplattform, der erfahrenen Ingenieure und der Schnelligkeit des weltweit führenden additiven Fertigungsservice von Protolabs.
Protolabs trug zur Verbesserung des Designs und damit zur verbesserten Funktionalität der Teile, insbesondere der Abdeckung des Bedienungselements, bei. Außerdem lieferte der 3D-Druck-Spezialist eine Lösung zum Färben des Teils, bevor beide Komponenten innerhalb kürzester Zeit mit Multi Jet Fusion gefertigt und zum Testen und Bewerten an den Kunden geschickt wurden. |
Rhian Griffith, Maschinenbauingenieur bei der Small Robot Company, erklärt: „Wir haben den ersten Tom V4 im Sommer 2021 gebaut. Er war unser Alpha-Prototyp und unser Machbarkeitsnachweis. Er besteht aus einer hochentwickelten modularen Fahrplattform, die als Basis für unsere zukünftigen Roboter verwendet werden kann. Die beiden von Protolabs gefertigten Komponenten – die Halterung für den SSD-Datenspeicher und die Abdeckung des Lenkaktuators – sind ein fester Bestandteil der Plattform, die wir in den nächsten Jahren stetig weiterentwickeln werden. Die Fahrplattform wird im Wesentlichen unverändert bleiben, auch wenn der Roboter später neben dem Scannen auch Pflanz- und Spritzarbeiten übernehmen soll. Diese integrale Flexibilität des Roboters, sowohl der einzelnen Teile, wie etwa der von Protolabs gefertigten Komponenten, als auch des Roboters insgesamt, ist für dessen Erfolg und Lebensdauer ausschlaggebend.“
Derzeit besitzt die Fahrplattform des Roboters einen montierbaren Ausleger für ein Kamerasystem zum Scannen der Pflanzen.
Der Lenkaktuator
Ein Lenkaktuator ist ein Mechanismus für eine einfache Wegesuche, der den Roboter auf ein Zielobjekt zusteuert.
Der Lenkaktuator, den die Small Robot Company speziell für den aktuellen Tom V4 entwickelt hat, wird auch in zukünftigen Generationen ein wichtiges Funktionsbauteil bleiben. Rhian Griffith ergänzt: „Der Lenkaktuator ist eine Unterbaugruppe der Fahrplattform. Er besteht aus einem Motor, einem Planetengetriebe, Lagern und einem Aluminiumgehäuse. Von oben wird die Einheit durch eine mittels 3D-Druck von Protolabs gefertigte Abdeckung abgedichtet. Die Abdeckung verhindert, dass Wasser und Staub eindringen, um die relativ empfindliche Baugruppe vor Schäden, Ablagerungen und Überhitzung zu schützen.“
Neben ihrer Schutzfunktion besitzt die Abdeckung auch einen Kabelkanal, der zur Motorsteuerung verläuft. Der 3D-Druck bietet eine optimale Fertigungslösung für die relativ komplexe Form dieses multifunktionalen Bauteils.
„Beim Vorgängermodell, dem Tom V3, hatten wir einen Lenkaktuator von einem Drittanbieter. Der war jedoch zu schwer und führte zu einer Reihe von Problemen. Beim Tom V4 beschlossen wir daher, den Lenkaktuator komplett intern zu entwickeln, auch die Abdeckung. Dadurch konnten wir die Bauteilkosten reduzieren, das Design optimieren und den Roboter leichter machen.”
Protolabs steigt in den Prozess mit ein
Die Techniker der Small Robot Company beschlossen bereits frühzeitig, die Abdeckung im 3D-Druck fertigen zu lassen, um die strengen Gewichtsvorgaben für den Roboter einzuhalten. Diese hatten zwei Gründe. Insgesamt sollte das Gewicht des Systems gering gehalten werden, um den Bodendruck zu reduzieren und dadurch die Pflanzen zu schonen und die Bodenverdichtung zu verringern. Des Weiteren dient die Fahrplattform als Basis für eine Vielzahl von Nutzlasten. Je leichter die Plattform, umso höher die zulässige Nutzlast.
Griffith erklärt: „Den ersten Prototyp der Fahrplattform hatten wir vor ein paar Jahren für unser Alpha-Systemdesign entwickelt. Wir wussten, dass Protolabs 3D-Druckservices bietet, hatten dies aber nicht für die Prototypenherstellung erwogen. Für uns war der 3D-Druck für die Produktion interessant, da wir nur relativ wenig Teile benötigten und Protolabs mit seinen additiven Technologien Fertigteile produzieren kann.
„Wir hatten bereits früher gute Erfahrungen mit der Angebotsplattform von Protolabs gemacht. Dieser Service hilft uns bei der Entwicklung enorm. Über die Angebotsplattform von Protolabs erhalten wir im Handumdrehen Angebote sowie Feedback zur Machbarkeit unserer Designs. Dadurch konnten Probleme bereits im Vorfeld der Produktion angegangen und behoben werden. Das ist äußerst praktisch, zudem lassen sich die Dateien sehr einfach hochladen. Besonders in dringenden Fällen ist die in der Regel schnelle Bearbeitungszeit des 3D-Druckservice extrem wichtig. Protolabs ist für uns daher der ideale Partner.“
Nach dem Upload des ersten Abdeckungsdesigns hatte das Team der Small Robot Company damit zu kämpfen, den Kabelkanal im erforderlichen Abstand zum Fertigungsmaterial zu platzieren. Beim Zusammenbauen des Lenkaktuators stellte sich später außerdem heraus, dass der Kabelverlauf zu Schwierigkeiten bei der Montage führte, was unbedingt behoben werden musste. Dank des Designfeedbacks und der Tipps von Protolabs konnte das Teil letztendlich so gefertigt werden, dass sich die Baugruppe auch gut zusammensetzen ließ.
Auch in puncto Ästhetik setzte Protolabs alles daran, der Small Robot Company ein zufriedenstellendes Ergebnis zu liefern.
„Wir haben eine sehr positive Erfahrung mit Protolabs gemacht, als die gelieferten Abdeckungen nicht so schwarz waren, wie wir es gehofft hatten. Protolabs hatte uns vorab darauf hingewiesen, dass das von uns bestellte Material PA12 zu einem dunkelgrauen Aussehen führt. Das entsprach noch nicht unseren Vorstellungen, doch wir wollten uns erst das Ergebnis ansehen und dann über die weitere Vorgehensweise entscheiden. Die gelieferten Teile kamen tatsächlich in der angekündigten Farbe. Protolabs war dann aber gerne bereit, sie in einem Nachbearbeitungsschritt noch schwarz zu lackieren. Schließlich bekamen wir die Teile in der gewünschten Ausführung – sowohl was die Funktionalität als auch die Ästhetik anbelangt.“
„Das schätzen wir an der Zusammenarbeit mit Protolabs so sehr. Sie erspart uns endlose Diskussionen mit dem Produktionsteam über das Design. Wir erhalten nur die Informationen, die wir brauchen, entweder über die Plattform oder von einem der Ingenieure. Anschließend passen wir das Design nach unseren Wünschen an und bestellen die Teile. Das macht es echt einfach.“
Rhian Griffith, Maschinenbauingenieur bei der Small Robot Company
Multi Jet Fusion – ein 3D-Druckverfahren für die Prototypenschnellfertigung und Fertigteile
Die Abdeckung des Lenkaktuators wurde mit dem Multi Jet Fusion-Verfahren (MJF) von Protolabs hergestellt. Beim MJF-Verfahren werden ein wärmeleitendes Mittel und ein wärmehemmendes Mittel in ein Bett aus Nylonpulver eingespritzt. Eine Wärmequelle bewirkt die Verschmelzung zu einer festen Schicht. Dieser Prozess wird wiederholt, bis das Teil die erforderliche Höhe hat. Die fertigen Teile besitzen eine hohe Oberflächenqualität, eine feine Auflösung und konsistentere mechanische Eigenschaften, als dies etwa durch selektives Lasersintern (SLS) möglich ist.
Verwendet wird das MJF-Verfahren in der Regel etwa bei Fertigteilen mit komplexen oder organischen Geometrien, Teilen, die konsistente isotrope mechanische Eigenschaften benötigen, sowie bei funktionsfähigen Prototypen.
Die vierte Agrarrevolution
Die vierte Agrarrevolution ist durch die erwarteten Veränderungen geprägt, die mit der Nutzung künstlicher Intelligenz und autonomer Roboter einhergehen. Die Landwirtschaft steht vor essenziellen Herausforderungen: Die Erträge stagnieren, während die Maschinenkosten steigen, was unter dem Strich zu Gewinneinbußen führt. Die Welt steht zudem vor einer Umweltkrise, für die schwere Landmaschinen und der hohe Einsatz von Chemikalien mitverantwortlich gemacht werden. Die Small Robot Company trägt zum Umdenken in der Landwirtschaft bei, um eine nachhaltige Lebensmittelproduktion zu erreichen. Mit seinen innovativen, mit künstlicher Intelligenz ausgestatteten Robotern will der Hersteller zu einem ökologisch harmonischen, effizienten und rentablen Ackerbau beitragen. Die Einzelpflanzenerkennung spielt eine Schlüsselrolle bei der aktuellen Revolution in der Landwirtschaft.
Die Zukunft von Tom V4
Griffith ergänzt abschließend: „Unser wichtigstes Augenmerk liegt derzeit tatsächlich auf der Senkung der Produktionskosten und des technischen Aufwands. Wir hoffen auf eine weitere Optimierung des Designs, um diese Vorteile an unsere Kunden weitergeben zu können. Wir freuen uns in jedem Fall auf die weitere Zusammenarbeit mit Protolabs, sowohl bei der Optimierung unserer bestehenden Roboter als auch bei der Entwicklung zukünftiger Generationen von Robotern. Für uns ist Protolabs bei der Produktentwicklung und der Fertigung gleichermaßen ein wertvoller Partner.“
