Ähnlich wie mit dem Kauf eines Automobils verhält es sich mit dem Kauf eines Roboters für die Spritzgießzelle: vor der Investition muss man sich mit dem großen Angebot auf dem Markt und den vielen speziellen Technologien dezidiert beschäftigen, um zu verstehen, wo die wirklichen Vorteile der jeweiligen Konfiguration und Auslegung zu finden sind. Allgemeiner Wissensstand ist, dass sich die klassischen Drei-Achs-Linearhandlings für Standardanwendungen eignen. Sechs-Achs-Knickarm- oder Scara-Roboter sind für alle industriellen Einsätze geeignet und nicht speziell auf die Arbeitsanforderungen im Spritzgießbereich abgestimmt.

Der Begriff der auch als „karthesisch“ bezeichneten Linear-Roboter leitet sich vom Namen des französischen Mathematikers René Descartes ab, der die drei Basis-Achsen X, Y und Z genutzt hat, um einen bestimmten Raum zu definieren. Dementsprechend haben diese Handlinggeräte alle eine vertikale Z-Achse, die es ermöglichen, zwischen die Werkzeughälften einer Spritzgießmaschine einzugreifen. Ergänzt wird diese Achse durch die horizontale X-Achse, die von einem Bereich über der Schließeinheit bis zu einem definierten Punkt außerhalb der Spritzgießmaschine reicht, sowie der Y-Achse, die den vertikalen Arm über die Maschinen-Längsachse bewegt, um Spritzteile aus den Kavitäten entnehmen und sie außerhalb des Werkzeugs ablegen zu können. Wer einen Robot lediglich zur Teileentnahme in einem schnellen und reproduzierbaren Zyklus benötigt, für den wird ein lineares Drei-Achs-Handling die erste Wahl sein. Wenn mehr und spezielle Bewegungen gefragt sind, macht es eher Sinn, über einen Drei-, Fünf- oder Sechs-Achs-Roboter nachzudenken.

Menschen nachempfunden

Sechs-Achs-Roboter befinden sich am anderen Ende des Handling-Spek-trums. Der Knickarm ähnelt in vielerlei Hinsicht dem menschlichen Arm. So kann der Sechs-Achs-Roboter seinen Arm um seine Basis rotieren lassen, wie der menschliche Ellenbogen abknicken und hat ebenfalls ein Gelenk an seinem Knickarm, das rotieren sowie Auf- und Abwärtsbewegungen ausführen kann. Ein Knickarm-Robot ist also in der Lage, ein Teil in fast jedem beliebigen Winkel an fast jedem beliebigen Punkt innerhalb seiner Reichweite aufzunehmen und zu transportieren.

Ähnliche Bewegungen kann auch ein Drei-Achs-Handling mit einer zusätzlichen pneumatischen Drehhand-achse am Greifer ausführen. Damit lassen sich Drehhandachse und Greifer von 0° bis 90° oder bis 180° ohne Zwischenstopp bewegen. Abhängig von der nachgeordneten Automation einer Produktionszelle – Teilezuführung, Vermessung, Entgraten, Verschweißen oder Dekoration – können mithilfe solcher zusätzlichen Pneumatikrotationen an Drei-Achs-Handlings sogar komplexere Handhabungs-Aufgaben ausgeführt werden.

Bei der 5X-Line handelt es sich um servoelektrisch angetriebene Fünf-Achs-Robot-Systeme. Diese können Bewegungen fast wie ein Sechs-Achs-Knickarm-Roboter ausführen, sind aber von Konfiguration und Aufbau her ähnlich den linearen Drei-Achs-Handlings und damit für diejenigen Verarbeiter geeignet, die diese Technik gewohnt sind. X-, Y- und Z-Achsen sind bei diesen Geräten identisch. Der Unterschied liegt in der Servo-Drehhandachse am Ende der vertikalen Bewegungsachse. Die bereits beschriebenen Bewegungen der pneumatischen Drehhandachse sind hiermit uneingeschränkt möglich. Allerdings ermöglicht der elektrisch geregelte servomotorische Antrieb jede mögliche Position innerhalb von 0 bis 90° beziehungsweise 0 bis 180° exakt anzufahren. Alle Bewegungen lassen sich simultan ausführen, sodass auch das kontrollierte Fahren über alle fünf Achsen gleichzeitig möglich wird.

Mittelweg: der servoelektrische Fünf-Achs-Roboter

Pneumatisch betriebene Achsen werden über Ventile gesteuert und bewegen durch den Druckluftfluss beispielsweise eine Drehhandachse am Greiferarm. Erst der Anschlag am Endpunkt der Drehbewegung schließt das Ventil wieder und stoppt das Fahren. Hingegen registriert ein elektrischer Servomotor über einen Positionsgeber exakt, an welchem Punkt sich die Antriebswelle gerade befindet. Die Handlingsteuerung kann so die genauen Positionen über alle fünf Achsen ermitteln und aufeinander abstimmen. Die exakte Lage von Greifer und Teil innerhalb des definierten Bewegungsraums sind zu jedem Zeitpunkt bekannt. Damit kann das Robot-System auch komplexe Bewegungsabläufe präzise und reproduzierbar ausführen.

Fünf-Achsen-Operationen werden immer dann notwendig, wenn die zu entformenden Artikel nicht geradlinig aus dem Werkzeug entnommen werden können oder wenn der Platz zwischen Werkzeughälften beziehungsweise zwischen den Maschinenholmen zu gering ist. Dann wird es notwendig, die Spritzteile zunächst zu drehen, um sie dann aus der Schließeinheit zu entnehmen.

Ist das Spritzteil aus dem Werkzeug entnommen, müssen unter Umständen noch nachgeordnete Arbeitsgänge wie etwa das Auftragen von Kleber, Montageschritte oder das Entgraten durchgeführt werden. Ohne das Teil neu fassen zu müssen, kann es der Fünf-Achs-Roboter exakt an den verschiedenen Positionen vorbeiführen oder zum Zusammenbau ablegen. Durch die hohen Eingriffsgeschwindigkeiten und eine hohe Flexibilität innerhalb wie außerhalb der Werkzeuge kommen die Fünf-Achser durchaus an die Möglichkeiten eines Knickarm-Roboter heran. Sie sind heute in der Lage, viele der Bewegungsabläufe, die ursprünglich für den Einsatz von Knickarm-Robotern vorgesehen waren, ohne Abstriche zu übernehmen.

Steuerung der Sechs-Achser vereinfacht

Komplexe Programmiervorgänge und anspruchsvolle Steuerungen sind die häufigsten Bedenken gegen Sechs-Achs-Robot-Systeme beim Spritzgießen. Bereits das geradlinige Fahren erfordert die Koordination mehrerer unterschiedlicher Bewegungsabläufe. Möglicherweise fehlt in vielen Spritzgießbetrieben noch geschultes Personal zur Programmierung und Wartung dieser Robot-Systeme.

Der Roboterhersteller hat daher die 6X-Line eingeführt: Knickarm-Roboter, die die gleiche Steuerung nutzen, wie die Linear-Handlings. Durch die einfache „Pick and Place“-Programmierung muss der Einrichter lediglich die verschiedenen Punkte und Positionen des Robot-Zyklus (Entnahme, Qualitätskontrolle, Ablage oder Stapeln) festlegen, diese Positionen manuell anfahren und bestätigen (teachen). Die Verfahrwege zwischen diesen Punkten lassen sich entweder direkt oder über Kurven anfahren. Die Festlegung dieser Bahnen erfolgt nach Eingabe automatisch. Damit lassen sich moderne Sechs-Achs-Roboter deutlich einfacher programmieren und bedienen. Deshalb können heute Robotsysteme danach ausgesucht werden, welche Bewegungs- und Bedienphilosophie am besten zu den speziellen Anforderungen im Prozess passt.

Der Unterschied: die 360°-Bewegung

Der große Unterschied zwischen Fünf- und Sechs-Achsern besteht im Erreichen einer 360°-Bewegung. Linear-Roboter sind dabei auf eine gerade Bewegungsrichtung beschränkt und kombinieren Verfahrwege längs und quer zur Maschinenachse. Längere Achsen können mehr seitliche Bewegung bedeuten, aber auch mehr Längsbewegung über die Maschinenachse. Damit können Teile am Ende der Spritzgießmaschine abgelegt werden, was eine geringere Aufstellfläche für die Gesamtkonfiguration und damit eine optimierte Maschinenbelegung pro Halle mit sich bringt. Linear-Roboter werden normalerweise oben an der festen Aufspannplatte der Maschinen montiert. Sie können also die Einspritzseite der Maschinen nicht erreichen.

Dagegen hat ein Sechs-Achs-Roboter einen größeren Arbeitsbereich, da er zu allen Seiten über die gleiche Reichweite verfügt. Da auch die Montage über der Maschine nicht notwendig ist, sind Sechs-Achs-Roboter in vielen Fällen die einzige Automationsalternative für Produktionshallen mit geringer Höhe.
Knickarm-Roboter greifen meist seitlich in die Schließeinheit ein, weshalb sie auch besser zur Arbeit an vertikalen Maschinen, etwa bei der Herstellung von Einlegeteilen, geeignet sind. Ihre Bewegungen werden durch die vertikal zufahrende Schließeinheit nicht limitiert und sie können auch mehrere Stationen an Drehtisch-Maschinen einfach und schnell erreichen.

Doch Vorteile können unter bestimmten Umständen aber auch zu Nachteilen werden. Eine bodengebundene Montage funktioniert zwar bei niedriger Hallenhöhe, wird aber zum Problem, wenn die Platzverhältnisse rund um die Maschinen sehr eng sind. Der seitliche Eingriff von Sechs-Achs-Robotern macht die Aufstellung der Geräte normalerweise auf der Maschinenrückseite notwendig, wo sie den Zugang von Einrichtern und Bedienern zum Terminal der Maschinensteuerung nicht einschränken. Demgegenüber lässt sich mit einem Linear-Roboter der Zugang zu jeder Seite der Maschinen einfacher bewerkstelligen. Obwohl die Geschwindigkeit der Knickarm-Roboter in den letzten Jahren zugenommen hat, gelten Linear-Roboter grundsätzlich immer noch als schneller, wenn es um die Ein- und Ausfahrbewegungen im Werkzeug bei der Teileentnahme geht. Dies kann ein kritischer Entscheidungsfaktor gerade bei schnelllaufenden Anwendungen sein.

Eine Frage des Geldes

Die Anschaffung von linearen oder Knickarm-Robotern ist nicht zuletzt aber auch eine Frage des Geldes. Ein Linear-Handling, auch mit einer zusätzlichen Drehhandachse, ist rund 30 Prozent kostengünstiger als ein Sechs-Achs-Roboter.

Keiner der aufgeführten Faktoren sollte als Grund für eine bessere oder schlechtere Bewertung von Linear- oder Knickarm-Systemen dienen. Der Einsatz beider Alternativen hängt einzig und allein von den Vorgaben und Anforderungen der Produktion in den unterschiedlichen Spritzgießbetrieben ab. Beide Arten von Robot-Systemen werden oftmals sogar gemeinsam eingesetzt: So ist es möglich, dass ein Linear-Roboter die Teile aus der Maschine entnimmt und zur weiteren nachgeordneten Bearbeitung an einen Sechs-Achs-Robot übergibt. Dies ist beispielsweise ein idealer Aufbau bei relativ kurzen Spritzzyklen und mehreren nachfolgenden Bearbeitungsstationen, die die Herstellung entsprechend zeitaufwändig und/oder komplex werden lassen.

Aufgrund der unterschiedlichen Technologien im Produktprogramm vieler Roboterhersteller haben Spritzgießer heute die freie Auswahl im
Hinblick auf die Automatisierung ihrer Fertigungsprozesse. Das bringt natürlich auch mehr „Qual der Wahl“ beim Auswahlprozess und der Entscheidung für das richtige System mit sich: Was soll mein Roboter können, welche Funktionen und Möglichkeiten muss er haben? Wie beim Auto-mobil muss auch hier ein zuverlässiger und mit entsprechendem Know-how ausgestatteter Hersteller dabei helfen, das richtige Robot-System für den
täglich geforderten Einsatzzweck auszuwählen.

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Über den Autor

Scott Kendrick ist Product Project Manager bei Sepro Robotique in La Roche sur Yon, Frankreich. ltd@sepro-robotique.com