Roboterarme aus Kohlefaser verkürzen die Zykluszeit in der Automatisierung

Industrieroboter stehen und fallen mit ihrer Zykluszeit. Ein Pick-and-Place-Roboter, der 20 Bewegungen pro Minute bei einer Nutzlast von 3 kg ausführt, benötigt 28,800 Zyklen pro Tag. Eine Verkürzung jeder Bewegung um 0.1 Sekunden – durch Reduzierung der Masse, die die Motoren beschleunigen und abbremsen müssen – spart 48 Minuten Produktionszeit pro Tag. Roboterarme aus Kohlefaser erreichen diese Massenreduzierung nicht durch ein geringfügig geringeres Gewicht als Aluminium, sondern durch ein um 60 % geringeres Gewicht bei gleicher Steifigkeit. Hier sind die technischen Argumente für den Umstieg.

Die wahren Kosten schwerer Roboterarme

Ein typischer Aluminium-Roboterarm für einen 6-achsigen Knickarmroboter wiegt bei einer Reichweite von 1.5 Metern 12–18 kg. Die Motoren müssen diese Masse tausende Male täglich von Stillstand auf Höchstgeschwindigkeit und wieder zurück beschleunigen. Jedes Kilogramm Armmasse erfordert etwa 0.5–1.0 kg zusätzliche Motormasse, um die gleiche Beschleunigung zu erreichen. Dieser kumulative Effekt bedeutet, dass eine Gewichtsreduzierung des Arms um 5 kg eine Reduzierung der Gesamtmasse des Roboters um 8–10 kg zur Folge hat. Dies ermöglicht wiederum eine kleinere Basis, leichtere Lager und kostengünstigere Getriebe. Die Gewichtseinsparungen wirken sich positiv auf die gesamte Roboterkonstruktion aus.

Die Energiekosten sind ebenso bedeutend. Ein 6-Achs-Roboter mit einer Armmasse von 12 kg verbraucht bei schnellen Bewegungen etwa 4–6 kW. Eine Reduzierung der Armmasse um 60 % senkt den Energieverbrauch um rund 40 % – das entspricht einer jährlichen Stromersparnis von 2,000–4,000 US-Dollar pro Roboter (bei Industrietarifen). Für eine Fabrik mit 50 Robotern ergibt das jährliche Energieeinsparungen von 100,000–200,000 US-Dollar.

Warum Aluminium nicht ausreicht

Aluminium ist seit Jahrzehnten das Standardmaterial für Roboterarme, da es bekannt, gut bearbeitbar und mit 2.7 g/cm³ relativ leicht ist. Allerdings weist Aluminium eine spezifische Steifigkeit (Elastizitätsmodul geteilt durch Dichte) von etwa 26 GPa/(g/cm³) auf. Kohlenstofffaser in einem quasi-isotropen Lagenaufbau erreicht hingegen etwa 40–50 GPa/(g/cm³) – also fast das Doppelte. Das bedeutet, dass ein Kohlenstofffaserarm bei gleicher Steifigkeit nur halb so schwer sein kann wie ein Aluminiumarm oder bei gleichem Gewicht sogar steifer.

Auch Aluminium ist ermüdungsgefährdet – es besitzt keine Dauerfestigkeitsgrenze. Jeder Belastungszyklus, so gering er auch sein mag, verbraucht einen Teil der Materiallebensdauer. Ein Roboterarm, der 28,800 Zyklen pro Tag ausführt, kommt auf 10 Millionen Zyklen pro Jahr – weit im Bereich der Hochzyklusermüdung für Aluminium. Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe hingegen weisen bei entsprechender Konstruktion eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer bei den in Roboterarmen auftretenden Belastungen auf, da die Last von den elastischen Kohlenstofffasern und nicht von einem metallischen Kristallgitter, in dem sich Versetzungen ansammeln, getragen wird.

Wie Kohlenstofffaser das Problem löst

Kohlenstofffaser-Roboterarme bestehen typischerweise aus rollgewickelten Rohren für die Hauptstruktur, in die gefräste Aluminium- oder Titan-Endstücke eingeklebt werden. Die Rohrwand ist so konstruiert, dass sie die erforderliche Biegesteifigkeit und Festigkeit in alle Richtungen gewährleistet. Ein quasi-isotroper [0/±45/90]-Lagenaufbau sorgt für ausgewogene Eigenschaften: Die 0°-Lagen gewährleisten axiale Steifigkeit, die ±45°-Lagen Torsionsfestigkeit und die 90°-Lagen verhindern eine Ovalisierung des Rohrs unter Biegebelastung.

Die Gewichtsersparnis ist enorm. Ein 1.5 Meter langes Armglied aus Kohlefaser mit 50 mm Durchmesser und 3 mm Wandstärke wiegt etwa 1.1 kg. Das entsprechende Aluminiumglied (gleiche Steifigkeit) wiegt 2.8 kg – also 2.5-mal so viel. Ein kompletter 6-Achs-Roboterarm mit Kohlefasergliedern wiegt typischerweise 5–8 kg, im Vergleich zu 12–18 kg mit Aluminiumgliedern – eine Reduzierung um 55–60 %.

Messbare Ergebnisse: Was Sie nach dem Wechsel erwarten können

Unternehmen, die Roboterarme von Aluminium auf Kohlefaser umgerüstet haben, berichten von durchweg positiven Ergebnissen: Zykluszeitverkürzung um 15–25 % durch schnellere Beschleunigung und Verzögerung, Reduzierung der Motorgröße um 1–2 Baugrößen (wodurch die Motorkosten um 30–40 % sinken), Senkung des Energieverbrauchs um 35–45 % und Verlängerung der Lagerlebensdauer um das 2- bis 3-Fache aufgrund geringerer dynamischer Belastungen. Der Kohlefaserarm kostet zwar in der Regel 20–40 % mehr als der ersetzte Aluminiumarm, amortisiert sich aber durch die Einsparungen beim Motorverbrauch und den geringeren Energieverbrauch innerhalb von 12–18 Monaten im Dauerbetrieb.

Vergleich von Roboterarmen aus Kohlefaser und Aluminium

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