Special Robottechnik

Aufbruch zu neuen Ufern

Laserroboter erschließen innovative Bearbeitungsprozesse
Durch die Lasertechnik in Verbindung mit Knickarmrobotern und integrierter Laserstrahlführung konnten in den letzten Jahren innovative und sehr wirtschaftliche Bearbeitungsverfahren in der Industrie realisiert werden. Die Gründe dafür liegen unter anderem in der nahezu uneingeschränkten Beweglichkeit und der sehr guten Zugänglichkeit auch an komplexen räumlichen Bauteilen, wie sie die neuen Laserroboter von Reis Robotics, Obernburg, bieten. Ihre Konzeption ermöglicht, Laser mit mehreren Kilowatt Leistung einzusetzen. So lassen sich neue Einsatzfelder sowohl im Kunststoff- als auch Metallbereich erschließen. Darüber berichtet Axel Fischer, Bereichsleiter Entwicklung bei Reis Robotics.

Wenn bislang aufgrund der Tragfähigkeit des Roboters nur Laser bis zu einer Ausgangsleistung von 500 Watt eingesetzt werden konnten, so kompensiert das Konzept der neuen Reis-Roboter diese Nachteile. Der Laser wird nicht wie bisher auf dem Unterarm, sondern seitlich am Schwenkarm der Achsel, dem Oberarm, angeordnet. Durch diese Platzierung nahe an der Roboterbasis können Laserstrahlquellen bis zu einem Gewicht von 400 Kilogramm beziehungsweise mehreren Kilowatt Leistung mitgeführt werden, ohne den nutzbaren Arbeitsraum negativ zu beeinflussen.

Bei der neu entwickelten integrierten Strahlführung wird der Laserrohstrahl über nur vier Spiegel durch die Roboterachsen bis zur Roboterhand geführt. Hierdurch werden geringe Verluste und eine hohe Strahlstabilität garantiert. An der Roboterhand können applikationsspezifische Bearbeitungsoptiken leicht adaptiert werden. Bei der Roboterversion „RV16L-CO2ist eine zusätzliche Handachse (Achse 6) integriert. Neben der Bearbeitungsoptik können hiermit auch zusätzliche Prozesseinrichtungen wie eine externe Kaltdrahtzuführung oder Sensoriken zur Nahtverfolgung oder Prozesskontrolle orientiert zur Bearbeitungsbahn bewegt werden.

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Strahlendes Leichtgewicht

In enger Kooperation mit der Trumpf-Lasertechnik wurde der ebenfalls neue diffusionsgekühlte CO2-Laser „TCF 1“ von Trumpf mit einer Leistung von zwei Kilowatt am Laserroboter „RV16L-CO2“ adaptiert. Mit einem Bauvolumen von nur 0,35 Kubikmeter und nur 250 Kilogramm Gewicht, ist dieser Laser die kompakteste und leichteste Strahlquelle in dieser Leistungsklasse. Diese Kombination eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten und eine drastische Steigerung der Prozess- oder Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Neben CO2-Lasern können die Vorteile dieser Roboter ebenfalls bei fasergeführten Lasern (Nd:YAG- und Diaodenlaser) genutzt werden. Damit eignen sich die neuen Laserroboter für ein breites Spektrum von Anwendungen der Materialbearbeitung sowohl im Kunststoff- als auch im Metallbereich.

Laser-Roboter-Systeme mit Nd:YAG-Lasern zum Schweißen, Schneiden, Löten oder Randschichthärten vom 3D-Bauteilen gehören seit Jahren zum Stand der Technik. Der Einsatz von CO2-Laserrobotern mit integrierter Strahlführung in der Metallbearbeitung war bisher auf Grund der limitierten Laserleistung nur in Einzelfällen möglich. Durch die Integration des neuen Trumpf-Lasers am Laserroboter von Reis ist der vielfältige Einsatz von CO2-Hochleistungslasern im Metallbereich möglich. Bei 2000 Watt Laser-Ausgangsleistung und der sehr hohen Strahlqualität K (Strahlpropagationsfaktor) von 0,9 kann der größte Teil der Anwendungsfälle beim Laserstrahlschneiden sowie der Dünnblechbereich beim Laserstrahlschweißen abgedeckt werden (Bild 2 zeigt den Außenbeschnitt eines 3D-Blechteils).

Kunststoff bearbeiten

Mit CO2-Laserrobotern lassen sich thermoplastische Kunststoffe sowie glas- und kohlefaserverstärkte Kunststoffe bearbeiten. Ein Haupteinsatzgebiet ist das Schneiden von PKW-Innenverkleidungen. Hierbei werden an kunststoffhinterspritzten Textilbauteilen mit dem Laser Stoffüberstände entfernt und Ausschnitte eingebracht (Bild 3). Der Vorteil des Laserschneidens ist die gleichzeitige Versiegelung der Schnittkante und damit einer Reduzierung von Bearbeitungsschritten. Bei konventionellen Verfahren, wie dem Schneiden mit Messern oder Wasserstrahlschneiden sind zur Verhinderung des Ausfransens der Schnittkanten zusätzliche aufwendige Arbeitsgänge, wie das Herstellen von Umbugkanten notwendig. Das Laserschneiden hat deshalb in den letzten Jahren die Anwendung dieser Verfahren nahezu komplett verdrängt.

Ein ähnliches Applikationsfeld der CO2-Laserroboter ist die Herstellung folienhinterspritzter Teile. Bei diesem Fertigungsverfahren werden nicht Textilien, sondern etwa 0,5 Millimeter dicke tiefgezogene Dekorfolien hinterspritzt, wodurch ausgesprochen dekorative Bauteiloberflächen hergestellt werden können, bei denen beispielsweise erhabene Konturen sehr gut abgebildet werden. Mit Hilfe des Laserschneidens wird die Bauteilaußenkontur beschnitten und – falls erforderlich – Öffnungen eingebracht. Eine nachträgliche Lackierung der Bauteile ist nicht mehr erforderlich. In Verbindung mit dem Roboter-Laserschneiden bietet dieses Fertigungsverfahren eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit.

Schweißen mit dem Laser

In den letzten Jahren hat sich das Laser-Durchstrahlschweißen als zuverlässiges und wirtschaftliches Verbindungsverfahren für thermoplastische Kunststoffe in der Industrie verbreitet. Hierbei nutzt man das bei der Wellenlänge des Diodenlasers (808 Nanometer bzw. 940 Nanometer) unterschiedlich ausgeprägte Reflexions- und Transmissionsverhalten der Kunststoffe. Das Prinzip dieses Verbindungsverfahrens besteht darin, dass man einen bei dieser Wellenlänge transparenten und einen absorbierenden Kunststoff miteinander verbindet. Der Laserstrahl durchdringt den transparenten Fügepartner und wird vom nicht transparenten Kunststoff absorbiert. Hierdurch kommt es zu einem lokalen Aufschmelzen und damit zu einem Verschweißen im Kontaktbereich beider Kunststoffe.

Durch Adaption des Diodenlasers an die Laserroboter von Reis mit integrierter Laserstrahlführung kann das Verfahren flexibel an 3D-Bauteilen eingesetzt werden. Der Laserstrahl wird hierbei über eine Glasfaserleitung in den Roboterarm geführt und über Spiegel durch die Handachsenkinematik zur Bearbeitungsstelle gelenkt. Vorteil dieser Lösung gegenüber dem konventionellen externen Anbau an einen Roboter ist die kompakte Bauform des Roboterhandgelenks mit Bearbeitungsoptik ohne zusätzliche Störkonturen und die nicht eingeschränkte, hohe Beweglichkeit des Roboters. Durch ein in die Optik integriertes Pyrometer wird die Laserleistung geregelt. Jede Schweißung lässt sich über ein Qualitätssicherungssystem aufzeichnen und protokollieren. Somit wird die von der Automobilindustrie zunehmend geforderte hundertprozentige Qualitätskontrolle gewährleistet.

Für hochpräzisen Einsatz

Die Firma Reis Robotics hat ihr Angebot um ein 5- oder 6-achsiges Flächenportalsystem für hochpräzise Laseranwendungen erweitert (Bild 4). Mit diesem System können Aufgabenstellungen abgedeckt werden, bei denen Knickarmroboter wegen des Arbeitsraums und der begrenzten Genauigkeit nur noch bedingt einsetzbar sind. Die hohe Genauigkeit wird vornehmlich durch den Einsatz von Linear-Direktantrieben in den Grundachsen erreicht. Zur Nutzung in Laseranwendungen werden die integrierte Strahlführung und auch Achsbaugruppen der Laser-Knickarmroboter verwendet. Das System ist so aufgebaut, dass es in die Tragkonstruktion der Laserschutzkabine integriert ist. Der Arbeitsbereich mit der Größe von bis zu 2,5 × 4 × 1 Meter (L × B × H) unterhalb des Portals ist somit frei zugänglich für den Aufbau von Vorrichtungen beziehungsweise die Verwendung von Zusatzachsen für die Werkstückpositionierung.

Ein wichtiges Einsatzgebiet des Präzisionsportals ist das Laser-Auftragsschweißen oder Laser-Beschichten. Im Formenbau kommt es häufig vor, dass an Werkzeugeinsätzen infolge Verschleiß, durch Bearbeitungsfehler oder durch Bauteiländerungen Material neu aufgebracht werden muss. Bis zum erneuten Produktionseinsatz des Werkzeugs entsteht ein hoher Aufwand für Materialaufbringung, Konturnacharbeit, Härtung und Oberflächenveredelung. Das Laserbeschichten ermöglicht es, an Form- oder Werkzeugeinsätzen hochwertiges Material in dünnen Schichten definiert aufzubringen.

Fazit

Die beschriebenen Laserrobotersysteme ermöglichen, neue innovative Bearbeitungsverfahren für die verschiedensten Anwendungsfälle einzusetzen. Diese neuen Bearbeitungsverfahren stellen neben den sich bietenden technischen Möglichkeiten ein enormes Potenzial im Hinblick auf reduzierte Herstellkosten in der Teilefertigung dar. Der Einsatz von Knickarmrobotern mit CO2-Hochleistungslasern für die Bearbeitung komplexer 3D-Bauteile führt darüber hinaus zu einer entscheidenden Minimierung der Investitions- und Betriebskosten von Laser-Produktionsanlagen.Siegfried Heimlich

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