Robotik effektiv einsetzen Pick-and-Place-Roboter: Mit 3D-Druck individuelle Roboterkomponenten fertigen

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Die Entwicklung von Robotikanwendungen wie Pick-and-Place-Roboter und Ersatzteilen kann sehr aufwändig, zeitintensiv und teuer sein. Der Druckmaschinenhersteller Heidelberg nutzt den 3D-Druck und fertigt Komponenten flexibel und kostengünstig vor Ort.

Die Heidelberger Druckmaschinen AG ist der weltweit führende Hersteller von Offsetdruckmaschinen. Das Unternehmen produziert Werkzeuge und Automatisierungslösungen für die gesamte Wertschöpfungskette, angefangen von einigen der größten und schnellsten Druckpressen bis hin zu Schneid- und Falzmaschinen. Doch Markt und Nachfrage in der Druckindustrie verändern sich rasant. Unternehmen wie Heidelberg müssen sich daher schnell anpassen und die Produktentwicklung für Druckereibetriebe so innovativ wie möglich gestalten. 

Der 3D-Druck spielt dabei eine entscheidende Rolle – sowohl bei der Entwicklung von leichtgewichtigen Teilen für Pick-and-Place-Roboter als auch in der Herstellung von neuen Bauteilen für Falzmaschinen und Ersatzteilen für Maschinenkomponenten. So produziert Heidelberg mittlerweile Tausende von Teilen pro Jahr für etwa fünfzehn verschiedene Anwendungen.

Komplexe Teile

Der Weg zur finalen Robotikanwendung ist gar nicht so einfach. Viele der Bauteile sind hochgradig komplex und müssen teilweise mehrere Funktionen gleichzeitig ausüben können. So gibt es Verbindungsteile und Halterungen, die für die Achsenbewegung, Achsklemmung, den pneumatischen Saugeffekt, die Sensortechnologie und die Schiebeeigenschaften zuständig sind.

Größe und Gewicht von Bauteilen sind daher entscheidend: Zum einen gibt es nur wenig Spielraum für große Verbauungen und Teile, wenn die Packungsdichte in der Anlage sehr hoch ist. Zum anderen weisen schwere Teile eine höhere mechanische Belastung auf. Das kann sich langfristig auf die Dauerfestigkeit auswirken. Die Bauteile müssen daher ausgehend von den wirkenden Kräften und Lasten speziell für die jeweilige Anwendung entwickelt werden. Doch viele dieser Bauteile lassen sich mit traditionellen Verfahren wie der Zerspanung nicht kosteneffizient und teilweise gar nicht umsetzen. Einige Teile würden aus verschiedenen Baugruppen und Einzelkomponenten bestehen, die mühsam montiert, ausgerichtet und nachgearbeitet werden müssten. Außerdem wären sie schwerer und würden die Packungsdichte des Systems weiter erhöhen.

Pick-and-Place-Roboter

Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel: Er hat schon verschiedene Robotikanwendungen bei Heidelberg möglich gemacht. So auch den P-Stacker, ein innovativer Pick-and-Place-Roboter. Dieser nimmt Stapel gefalzter Papierbögen von der Falzmaschine auf und legt sie auf einer Palette ab. Der Roboter kann die Paletten dabei bis zu einen Meter hoch stapeln. Je nach Laufleistung kann er bis zu 18.000 Bögen die Stunde absetzen. Der P-Stacker gehört zu der Maschine mit den meisten 3D-gedruckten Bauteilen. Beim Herstellungsprozess dieser Teile kommt der SLS-3D-Druck (selektives Lasersintern) zum Einsatz. So kann das Team die Bauteile für den P-Stacker direkt vor Ort in wenigen Stunden drucken. 

Im ersten Schritt werden die einzelnen Bauteile schnell und einfach in einem CAD-Programm designt und nach Bedarf flexibel angepasst. Die STL- oder OBJ-Datei wird dann in die Software zur Druckvorbereitung importiert, damit der 3D-Drucker die Informationen verarbeiten kann. Nach einer Umwandlung in die Druckdatei werden die Daten direkt an den 3D-Drucker weitergeleitet. Beim SLS-3D-Druck schmilzt ein Laser ein pulverisiertes Kunststoffmaterial, etwa Nylonpulver, exakt an den vordefinierten Punkten in der Druckkammer. So können komplexe Formen ohne zusätzliche Stützstrukturen gedruckt werden. Das Ergebnis: leichtgewichtige Bauteile, die schnell für die Installation des Roboters bereitstehen.

Je nach Bauteil kommen dabei verschiedene 3D-Druck-Materialien zum Einsatz. So wird ein stabiles, leistungsfähiges Kunstharz für die Produktion von komplexen Baugruppen und robusten Teilen in Endverwendung verwendet. Dieses ist leichter als Stahl. Außerdem können die Designs abhängig von der Belastung und den Kräften, denen sie ausgesetzt werden, weiter optimiert werden. Denn höhere Designkomplexität verursacht im Vergleich zu konventionellen Fertigungsprozessen wie der Zerspanung keine höheren Kosten.

Für flexible Teile, die Querkontamination verhindern, scharfe Kanten abdecken, Sensoren schützen oder Verschleiß vorbeugen sollen, fällt die Wahl eher auf ein dehnbares, reißfestes Kunstharz, das in seinen Materialeigenschaften ein ausgewogenes Verhältnis zwischen hoher Bruchdehnung und erhöhter Reißfestigkeit aufweist. Häufig werden die fertigen 3D-gedruckten Bauteile abschließend auch noch mit anderen Komponenten kombiniert etwa mit metallenen Lagern oder Bauteilen mit Teflonbeschichtung, die reibungsmindernd wirken.

Ersatzteile für Pick-and-Place-Roboter auf Abruf

Ein Teil der Entwicklung findet in Praxistests statt, sodass die Produkte direkt geprüft und durch Rückmeldungen vom Endkunden verbessert werden können. Mit 3D-Druck lassen sich neue Teile schnell entwickeln und produzieren. Das erlaubt eine schnelle Reaktionszeit auf wechselnde Kundenanforderungen. Neben den Durchlaufzeiten spart Heidelberg bei der Fertigung von Teilen auch enorme Kosten ein. Im Vergleich zur konventionellen Produktion liegt oft eine Kostenreduktion im Faktor 10 bis 20 vor.

Ausfallzeiten von Maschinen zu minimieren, ist essenziell – denn jede Verzögerung kostet Zeit, Geld und Druckware. Das heißt: Ersatzteile für Maschinenkomponenten müssen auf Abruf schnell und einfach produziert werden, damit sie den Druckereibetrieben direkt zur Verfügung stehen. Früher fertigte Heidelberg die Ersatzteile aus Stahl an. Heute druckt das Team mithilfe von 3D-Druckern die benötigten Ersatzteile über Nacht, sodass sie am nächsten Morgen für die Installation bereitstehen. Die 3D-gedruckten Teile halten dabei der andauernden Beanspruchung – wie etwa zwei Schichten, fünf Tage die Woche, bei sehr hoher Last – stand. So hat Heidelberger Druckmaschinen derzeit 3D-gedruckte Teile installiert, die schon seit mehr als 2,5 Jahren in den Maschinen verbaut sind.

Druckereien wettbewerbsfähig halten

Der 3D-Druck erleichtert die Entwicklung von Maschinen für die Druckindustrie. Durch den einfachen Workflow mit einem 3D-Drucker kann die Produktionszeit verkürzt werden. Die Herstellung ist kostengünstig und findet vor Ort statt. Die Produktion kann individuell angepasst werden, sodass entweder ein einzelner Drucker oder eine gesamte Produktionsstraße an 3D-Druckern für eine reibungslose Lieferkette sorgt. Die Implementierung des 3D-Drucks bietet zudem Unterstützung bei der Einbeziehung von Kundenfeedback der Druckereibetriebe.