Material Handling

Eine neue Liga: Leichtbaumodule mit Tragstrukturen aus Kohlefaser

Leichtbaumodule mit Tragstrukturen aus Kohlefaser
Exotenbestücker mit Linearchase aus CFK. (Fotos: Schunk)
Im Thema Leichtbau steckt jede Menge Effizienzpotenzial für die Handhabungstechnik. Mit einem Großhubgreifer und einer direktangetriebenen Linearachse aus CFK hat Schunk die ersten Module aus dem rennsporterprobten Material für den industriellen Einsatz vorgestellt.

Effizientes Greifen ist einer der entscheidenden Faktoren für eine wirtschaftliche und zukunftssichere Automation, betont Matthias Poguntke, Leiter Produktmanagement und Produktmarketing Automation bei Schunk. Zwei Ziele ließen sich mit Hilfe der zukunftsweisenden Module erreichen, so Poguntke. „Sie sparen bei identischer Leistung Energie oder erzielen bei identischem Energieverbrauch eine deutlich höhere Leistung. In beiden Fällen steigt die Effizienz des Gesamtsystems.“

CFK hat Vorteile

Kohlefaserverbundwerkstoffe, wie sie von Schunk eingesetzt werden, sind dem Werkstoff Aluminium in manch technischer Eigenschaft überlegen. Sie sind rund 40 Prozent leichter als Aluminium. Zugleich ist die Zugfestigkeit doppelt so hoch. Auch in Sachen thermische Ausdehnung hat CFK die Nase vorn: Das Material verändert sich so gut wie nicht, wenn es sich erwärmt.

Bei so vielen Vorteilen stellt sich die Frage, weshalb CFK nicht schon längst einen Siegeszug angetreten hat. Der Grund liegt in der Fertigung. Module aus Aluminium können in den meisten Fällen nicht einfach in CFK nachgebaut werden. Dafür unterscheiden sich die Fertigungstechnologien beider Werkstoffe zu sehr voneinander. So lassen sich Faserverbundwerkstoffe beispielsweise kaum zerspanen. Stattdessen wird das Material urformend entsprechend der erwarteten Belastungen aufgebaut. Bei der Konstruktion gilt es, die Ausrichtung der Fasern sowie die Verbindungstechnologie mit anderen Funktionsbauteilen und nachgelagerten Tragstrukturen präzise aufeinander abzustimmen.

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Von Halbzeugen abgesehen, wurden Strukturbauteile bisher meist manuell hergestellt. Das war zum einen kostenintensiv, zum anderen haben die Qualitäten sehr geschwankt. Das moderne Verfahren, das Schunk mit Partnern zur Fertigung von CFK Modulen entwickelt und optimiert hat, sorgt nun dafür, dass die Kosten für die Herstellung deutlich gesunken sind und zugleich eine konstant hohe Qualität erzielt wird. Damit gewinnt CFK auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten deutlich an Bedeutung.
Üblicherweise wird Bauteil für Bauteil entsprechend seiner Belastungen komplett neu gestaltet und ausgelegt. So lassen sich sämtliche Vorteile der Faserverbundtechnologie nutzen und gleichzeitig die Stabilität der Bauteile sicherstellen. Mit Hilfe modernster Simulationsmethoden und einer cleveren Konstruktion sparen die Entwicklungsingenieure meist sogar zusätzliches Gewicht ein.

Leichte Linearachsen

In intensiver Forschungsarbeit hat sich Schunk ein umfassendes Know-how bei der Konstruktion und dem Bau von CFK-Modulen erarbeitet. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Verglichen mit Aluminiumprofilen reduziert sich das Gewicht bei den CFK-Leichtbauachsen von Schunk um 58 Prozent. Erreicht wird das zum einen über den Kohlefaserverbundwerkstoff, zum anderen über eine spezielle Struktur und Füllung im Innern, die ein minimales Gewicht und zugleich eine hohe Steifigkeit gewährleisten. Vor allem in mehrachsigen Handhabungssystemen, in denen komplette Z- oder Y-Achsen bewegt werden, ist das interessant: Die Masseträgheit sinkt, und die Achsen können deutlich schneller beschleunigt und verfahren werden.

Die Leichtbauachsen bieten zusätzliche Vorteile: Aufgrund des höheren E-Moduls haben sie eine höhere Biege- und Torsionssteifigkeit als Aluminiumprofile. Die hohe Eigendämpfung reduziert Schwingungen, was zu einer hohen dynamischen Steifigkeit führt. Erwärmt sich das Material im laufenden Betrieb, behält es dennoch seine Form. Beste Voraussetzungen also für den mikrogenauen Einsatz in hochpräzisen Prüf- oder Handhabungsapplikationen. Anwendern verschaffen die hocheffizienten Leichtbauachsen sowohl bei Taktzeiten als auch bei Präzision Vorteile.

Präzise Tempomacher

Die standardisierten CFK-Achsen von Schunk gehören zur Baureihe MLD. Ihre hohe Dynamik und Wiederholgenauigkeit verdanken sie einem servoelektrischen Lineardirektantrieb, der ihnen insbesondere bei Highspeed-Anwendungen in der Montageautomation die Poleposition sichert. Die Antriebskraft wird von spielfreien, hochpräzisen Antriebselemente ohne mechanische Übertragungselemente direkt auf den Schlitten übertragen. Sie kann Gewichte bis 20 Kilogramm mit einer Wiederholgenauigkeit von weniger als 0,01 Millimeter handhaben. Weil Motor, Messsystem und Linearführung im Achsprofil beziehungsweise Schlitten integriert sind, baut sie äußerst kompakt und benötigt nur wenig Platz. Um eine maximale Wiederholgenauigkeit zu erzielen, werden auf das CFK-Profil spezielle Laufschienen aus Stahl aufgebracht und anschließend präzisionsgeschliffen.

Schnellere Exotenbestückung

Welche Effekte mit den Achsen zu erzielen sind, zeigt ein Exotenbestücker von GAS-Automation, der mit einer Schunk Linearachse aus CFK ausgestattet wurde. Er erreicht eine bisher nicht gekannte Dynamik: Bei einer Achsgeschwindigkeit von vier Meter pro Sekunde und einer Beschleunigung bis 60 Meter pro Quadratsekunde benötigte die Anlage für einen kompletten Pick & Place Zyklus inklusive Bauteilvermessung und Clinchen weniger als eine Sekunde – rund 60 Prozent weniger als bisherige Lösungen am Markt. Das Führungsprofil der bewegten Horizontalachse ist dazu aus Kohlefaserverbundwerkstoff gefertigt. Es sorgt für die hohe Dynamik und für die dauerhaft hohe Präzision des Systems. Die Positioniergenauigkeit beträgt plus/minus 0,01 Millimeter. Aufgrund seiner Produktivität lassen sich mit dem Exotenbestücker vier bis fünf manuelle Bestückplätze einsparen.

Auch wenn die Preise für Leichtbauachsen rund das Doppelte vergleichbarer Aluminiumachsen betragen, zahlen sie sich bei zykluszeitkritischen Anwendungen und bei hohen Genauigkeitsanforderungen unter Temperatureinfluss schnell aus. Zudem sind sie in hochpräzisen Prüf-, Mess- oder Inspektionssysteme deutlich im Vorteil.

Skalierbarer Großhubgreifer

Ein weiteres Leichtgewicht präsentiert Schunk mit dem Großhubgreifer CFG. Mit ihm ist es möglich, auf vorhandenen Robotern höhere Teilegewichte zu handhaben, bei neuen Anlagen kleinere Roboter einzusetzen, die Taktzeiten zu verkürzen, leichtere Mehrfachgreifsysteme zu entwickeln und die Energieeffizienz von Robotern und Handhabungssystemen zu erhöhen. CFG verfügt bei einem Gewicht von nur zehn Kilogramm über eine Greifkraft bis 4.000 Newton und einen variablen Hub bis 600 Millimeter. Zusätzlich zu seinem leichten und steifen Körper vereint er allerhand konstruktive Vorteile, die sich für Anwender schnell bezahlt machen.

Der annähernd spielfreie Riemenantrieb und die synchronisierten Finger sorgen dafür, dass der Greifer bei variablem Hub präzise arbeitet. So kann er bei Bedarf große und kleine Teile im Wechsel handhaben. Werden nur verkürzte Verfahrwege der Finger benötigt, lässt sich der Hub über ein Zylinderrohr beliebig skalieren. Die Positionen „offen“ und „geschlossen“ werden dazu nach Bedarf eingestellt, so dass nicht bei jedem Hub der komplette Zylinderlänge be- und entlüftet werden muss. Das minimiert die Taktzeiten und reduziert zugleich den Verbrauch von Druckluft, wodurch der Greifer enorm energieeffizient arbeitet.

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