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Lasercut

Bauteilunabhängige Auf­nah­me für das robotergestützte Laserschneiden

Problemstellung

Der Zuschnitt von Bauteilen kann durch ver­schie­de­ne technische Ver­fah­ren realisiert wer­den. Beim Laserschneiden existiert zum Beispiel neben dem Ein­satz konventioneller Laserschneidanlagen auch die Möglichkeit, roboterbasierte Lö­sun­gen mit ei­nem hohen Maß an Flexibilität einzusetzen. Einer der führenden Hersteller von robotergeführten Laserschneidanlagen ist die Fa. ROBOT-TECHNOLOGY. Diese hat auf Basis eines Industrieroboters einen Laserschneidroboter (ROBOCUT) durch die Implementierung eines CO2-Lasers ent­wi­ckelt und vermarktet diesem zum Schneiden von Kunststoff-, Metall- und Verbundstoffbauteilen (z. B. für Kfz-Türverkleidungen).

Der Prozess des lasergestützten Schneidens ist bislang durch die Ent­wick­lung, Konstruktion und Fertigung bauteilspezifischer Aufnahmen geprägt. Ein be­deu­ten­der Vorteil von Laserschneidrobotern ist im Vergleich zu konventionellen Laserschneidanlagen die hohe Flexibilität, jedoch ist die Bauteilbereitstellung aufgrund der starren, bauteilspezifischen Aufnahmen in ihrer Flexibilität derzeit immer noch stark eingegrenzt. Dies be­ein­flusst den gesamten Prozess negativ und bringt wirtschaftliche sowie finanzielle Nachteile mit sich. Durch den notwendigen Wechsel starrer Bauteilaufnahmen und den daraus resultierenden Rüstzeiten ist zudem die Vorhaltung der Vorrichtungen bei Nichtverwendung für eine wiederholte Fertigungsaufnahme er­for­der­lich. Auf Grund der notwendigen Vorlaufzeit für die Ent­wick­lung und Fertigung neuer Bauteilaufnahmen kann die Einführung neuer Produkte nur mit zeitlichem Verzug erfolgen.

Projektskizze Lasercut Simulation © IPS​/​TU Dort­mund
Projektskizze Lasercut Vorrichtung © IPS​/​TU Dort­mund

Zielsetzung

Zur Ersetzung der bisherigen, bauteilspezifischen Aufnahmen ist die Ent­wick­lung eines neuen flexiblen Systems geplant. Ziel ist es, dieses System durch die Ent­wick­lung anpassungsfähiger Spann- und Greiftechnik bauteilunabhängig zu ge­stal­ten und durch die Führung mittels Industrierobotern zu flexibilisieren. Im Gegensatz zu anderen Technologien zur Bauteilbearbeitung, wie zum Beispiel beim Fräsen, wer­den beim Laserschneiden nur geringe Prozesskräfte auf das Werkstück übertragen. Aus diesem Grund ist der Ein­satz bauteilunabhängiger Aufnahmen für das Laserschneiden be­son­ders attraktiv. Letztlich ist beabsichtigt, den Bereitstellungsprozess in den Laserschneidprozess zu integrieren, indem ein Robotersystem nicht nur dem Laserschneidroboter das zu bearbeitende Bauteil im Prozess bereitstellt, sondern auch die vorgelagerte Handhabung durch Auf­nah­me des Bauteils übernimmt. Der Handhabungsroboter übernimmt sowohl die eigentliche Greifaufgabe als auch die für die jeweilige Bearbeitungsaufgabe optimierte Positionierung des Bauteils. Statt eines manuellen Bauteilwechsels oder zusätzlicher Automatisierungstechnik erlaubt der Ein­satz des greiferführenden Roboters die direkte Auf­nah­me verschiedener Bauteile aus der Bereitstellung (z. B. Förderband, Palette). Durch die Verwendung eines Mehrrobotersystems und bei der Auf­nah­me von Bauteilen kann es bei der Positionierung des Bauteils zu Ungenauigkeiten kom­men. Um dieser entgegen zu wirken ist beabsichtigt die Position des Bauteils vor dem Schneidprozess sensorisch zu überprüfen und im Falle von Ungenauigkeiten entgegen zu wirken.

Projektskizze Lasercut Teilbereiche © IPS​/​TU Dort­mund
Projektskizze Lasercut Zielsetzung © IPS​/​TU Dort­mund

Vorgehensweise

Die angestrebten For­schungs­er­geb­nis­se wurden in fünf Projektphasen  er­ar­bei­tet:

Formulierung von An­for­der­ungen und Analyse des Bauteilspektrums:
Zu Projektbeginn wurden die An­for­der­ungen an das zu entwickelnde flexible Greifsystem in ei­nem Lastenheft zusammengetragen. Dabei waren be­son­ders die Prozesseigenschaften des Laserschneidens zu berücksichtigen. Der Wärmeeintrag, die Bearbeitungsrichtung, freie Schnittkonturen sowie eine unbehinderte Schneidbewegung waren dabei maßgebliche Kriterien.

Analyse der Kontaktherstellung zwischen Bauteil und Vorrichtung:
Für die Gestaltung einer flexiblen Spann- und Greiflösung ist die Kontaktherstellung zwischen Bauteil und Spannelement von elementarer Be­deu­tung. Die Kontaktstelle dient maß­geb­lich zur Kraftübertragung auf die Schneidbauteile. Zu berücksichtigen war hierbei ein au­to­ma­ti­sches Ein- und Ausschalten der Kontaktherstellung sowie ein sicherer und definierter Halt des Bauteils auch für dreidimensional ausgeformte Geometrien. Außerdem hat die Art der Kontaktherstellung einen Einfluss auf die erreichbare Prozessgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Lage. Mögliche physikalische Effekte für die Umsetzung sind u.a. Adhäsion, Kohäsion, Unterdruck, Gravitation, magnetische Kräfte und Reibung.

Konzeption eines flexiblen Greif- und Spannsystems:
Nach Definition aller Prozessrandbedingungen wurde eine statische flexible Bauteilaufnahme umgesetzt. Das entwickelte Kon­zept besteht aus einer Kombination von zwei elektrisch angetriebenen Dreiachslineareinheiten und ei­nem statischen Auflager. Durch die beiden NC-Lineareinheiten lassen sich die Anpassungen der Kontaktpunkte an die bauteilspezifischen Abmessungen vornehmen. Diese entwickelte Vorrichtung soll die bisherigen starren Aufnahmen, die für jedes Produkt in ei­nem zeitaufwendigen und teuren Prozess konstruiert und gefertigt wer­den. Diese Vorrichtung kann direkt In­te­gra­ti­on in die Robotersteuerung des Laserschneidroboters integriert wer­den. Vollständig vorkonfiguriert und einrichten lassen sich die Einheiten über das Handbediengerät als auch über die Simulationssoftware. Hierdurch konnte mit wenig Entwicklungsaufwand eine flexible Vorrichtung aufgebaut wer­den, die es ermöglicht, für Bauteilfamilien auf die bauteilspezifischen unökonomischen Vorrichtungen zu verzichten. Nach der erfolgreichen Umsetzung der flexiblen Spannvorrichtung sollte das Kontaktprinzip, das aus zwei Dornen und ei­nem Vakuumsauger besteht, auch auf einen flexiblen Greifer übertragen wer­den.

Konfiguration des Spannsystems auf dem Handbediengerät:
Zur Konfiguration des Greifsystems und zur Ansteuerung der bewegten Achsen wurde eine Einbindung und Ansteuerung durch die Robotersteuerung IRC5 von ABB umgesetzt. Die Laserschneidroboter des Projektpartners ROBOT-TECHNOLOGY wer­den mit einer solchen Robotersteuerung betrieben und ge­mein­sam mit dem zusätzlichen Handhabungsroboter und dem Greifsystem wurde die Vorrichtung in ein Mehrrobotersystem integriert.

Bauteilkalibrierung:
Da das Spannen und Greifen der ver­schie­de­nen Bauteile immer gewissen Positionsungenauigkeiten mit sich bringt, müssen die Teile vor dem Bearbeiten kalibriert wer­den. So kön­nen vorher programmierte Bearbeitungsbahnen den aktuellen Be­din­gun­gen angepasst wer­den. Für das Projekt LaserCut wurden zur Projektlaufzeit zwei ver­schie­de­ne Varianten umgesetzt. Auf der einen Seite erfolgte eine Bauteilkalibrierung über drei Ebenen, wie in der Koordinatenmesstechnik üblich, und zum anderen wurde ein aufwändiger Matching-Algorithmus implementiert, der eine aufgenommene Messpunktewolke mit den CAD-Daten vergleicht und die Bearbeitungsbahnen daraufhin transformiert.

Forschungs- und Entwicklungspartner

ROBOT-TECHNOLOGY GmbH, Kleinhostheim

Förderhinweis

Das ZIM-Vorhaben Lasercut wird über die AiF im Rah­men des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirtschaft (BMWi) und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deut­schen Bundestages ge­för­dert.

Kalender

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Anfahrt & Lageplan

Der Campus der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dort­mund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dort­mund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Campus Süd, die Abfahrt Dort­mund-Dorstfeld auf der A40 zum Campus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Uni­ver­si­tät ausgeschildert.

Direkt auf dem Campus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dort­mund Uni­ver­si­tät“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 20- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dort­mund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duisburg. Außerdem ist die Uni­ver­si­tät mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, außerdem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dort­mund aus gelangt man mit dem AirportExpress innerhalb von gut 20 Minuten zum Dort­mun­der Hauptbahnhof und von dort mit der S-Bahn zur Uni­ver­si­tät. Ein größeres Angebot an inter­natio­nalen Flugverbindungen bietet der etwa 60 Ki­lo­me­ter entfernte Flughafen Düsseldorf, der direkt mit der S-Bahn vom Bahnhof der Uni­ver­si­tät zu erreichen ist.

Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark.

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