Mini-Salamis, Bonbons oder Schokolade lassen sich mit Vakuumgreifer an Roboterarmen schnell transportieren. Damit der Roboter viel Gewicht aufnehmen kann, sollte der Greifer sehr leicht sein. Das Fraunhofer IPA hat am Leichtbau-Greifer gearbeitet.
Das Fraunhofer IPA hat mit Hilfe der Topologieoptimierung das Gewicht eines Greifers um 60 Prozent reduzieren können. Bild: Fraunhofer IPA/Robomotion GmbH
Die meisten Roboter verfügen nur über eine geringe Traglast. Bringt der Greifer schon ein hohes Eigengewicht mit, kann der Roboter weniger beziehungsweise keine schweren Produkte aufnehmen. Ein leichteres Bauteil lässt sich außerdem besser beschleunigen, was sich positiv auf den Energieverbrauch auswirkt. Neben der Gewichtsreduzierung wollten die IPA-Wissenschaftler im Projekt mit Robomotion auch den Konfigurationsaufwand verbessern. "Beim ursprünglichen Greifer musste man viele Schrauben aufdrehen, um ihn zu wechseln. Wir wollten deshalb einen neuen Adapter integrieren, den man mit nur einem Griff ab- und anmontieren kann", sagt Projektleiter Jochen Burkhardt vom Fraunhofer IPA.
Für die Topologieoptimierung haben die IPA-Experten mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) die Belastungen am Bauteil analysiert. Dabei haben sie schnell erkannt, welche Bereiche nur gering belastet werden und verschmälert werden können. Zwingend benötigte Elemente wie die Luft- und Vakuumkanäle und die Anschlussplatte für die Roboteranflanschung haben sie als Non-Design-Areas markiert und vom Optimierungsprozess ausgeschlossen. Auf diese Weise haben sie herausgefunden, dass bei der Anschlussstelle des Greifers – dem Flansch – und den Strömungskanälen Aussparungen vorgenommen werden können.
Nachdem ein optimierter Designvorschlag auskonstruiert war, führten die Wissenschaftler eine zweite FEM-Analyse durch. »Dabei hat sich gezeigt, dass die Spannungen und Verformungen trotz Materialeinsparungen konstant bleiben«, freut sich Burkhardt. Das neue Greifer-Modell wurde mit 3D-Druck realisiert. Als Baustoff diente, wie auch schon beim Original, das leichte und trotzdem stabile Polyamid (P12). "Mit der neuen Konstruktion sparen wir sogar noch Materialkosten", weiß Burkhardt.
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Der neue Greifer wiegt nun mit zirka 150 Gramm 60 Prozent weniger als das Vorgängermodell. Mit der Ersparnis war es den Wissenschaftlern möglich, einen etwas schwereren Schnellwechseladapter zu integrieren. "Jetzt muss man nur noch eine Klemmung öffnen, um den Greifer am Roboterarm zu konfigurieren", informiert Burkhardt.
Die Erkenntnisse der Topologieoptimierung kann Robomotion auch für weitere Greifer verwenden. "Im Projekt wurde ein achtfacher Greifer optimiert, die Maßnahmen lassen sich aber auch bei einem vierfachen Greifer des Unternehmens realisieren", sagt Burkhardt. Seiner Meinung nach zeige das Projekt mit Robomotion, dass sich mit Topologieoptimierung selbst bei sehr leichten Bauteilen noch etwas herausholen lässt. hei
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