Hybridantriebe machen Roboter zu Präzisionswerkzeugen

Roboter sind die Alleskönner der modernen Fertigung – bis sie auf massiven Stahl oder komplexe Fräsbahnen treffen. Dann beginnt das große Zittern. Denn was Standard-Industrieroboter an Flexibilität mitbringen, fehlt ihnen an Steifigkeit. Genau an diesem Punkt setzt eine gemeinsame Entwicklung des Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Stade und Siemens an: ein neuartiger Hybridantrieb, der Robotern buchstäblich neue Kraft verleiht – ohne dass sie dabei an Präzision verlieren. Für diese Entwicklung werden Stephan Hansen und Tobias Hamann vom Fraunhofer IFAM sowie Sven Tauchmann und David Bitterolf von Siemens mit dem diesjährigen „Inventor of the Year Award“ in der Kategorie „Open Innovation“ ausgezeichnet.

Wenn zwei sich ergänzen, gewinnt die Präzision

Das Konzept basiert auf der Kombination zweier grundsätzlich unterschiedlicher Antriebsarten: Direktantriebe arbeiten hochpräzise und schnell, würden aber zu schwer und zu teuer werden, wenn sie als einziges Antriebssystem eingesetzt werden. Getriebeantriebe sind robust und leistungsstark, aber weniger feinfühlig. Durch die intelligente Kombination beider Systeme in einem Antriebsstrang entsteht ein Hybridantrieb, der die Stärken beider vereint. Das Ergebnis ist ein Roboter, der selbst bei hohen Vorschüben vibrationsarm und stabil bleibt – und damit Nahe an die Präzision klassischer Werkzeugmaschinen herankommt.

Vier Köpfe, eine Idee

Erst die gemeinsame Expertise der vier Forscher aus Industrie und Wissenschaft ermöglichte diese Innovation. Während Hansen und Hamann die wissenschaftlichen Grundlagen und die Regelungslogik beisteuerten, brachten Tauchmann und Bitterolf langjähriges Industrie- und Anwendungswissen in der Robotik ein. Siemens und Fraunhofer IFAM arbeiten bereits seit vielen Jahren vertrauensvoll in gemeinsamen, teils öffentlich geförderten Projekten zusammen. Das hat den Vorteil, dass beide Seiten Wissen, Zeit und Infrastruktur bündeln können. „Weil es auch menschlich gut passt, entsteht ein Arbeitsklima, in dem neue Ideen schnell ausprobiert und umgesetzt werden können“, führt Tauchmann aus.

Sven Tauchmann (Siemens Digital Industries Motion Control, Safety & User Technology)

Additiv trifft subtraktiv – zwei Verfahren, ein Roboter

Mit dieser Erfindung kann ein Roboter nun sowohl additiv (Material aufbauend) als auch subtraktiv (Material abtragend) arbeiten – also 3D-Drucken und Fräsen von harten Materialien wie Stahl in einem System. Ein Bauteil entsteht Schicht für Schicht und wird anschließend, ohne Umspannen oder Maschinenwechsel, präzise nachbearbeitet. Am Ende wird der Roboter zu einer Art Schweizer Taschenmesser der Fertigung – je nach Aufgabe kann er drucken, fräsen oder reparieren“, erklärt David Bitterolf.

Das spart nicht nur Zeit, Energie und Kosten, sondern auch Platz in der Fertigungshalle. Gleichzeitig werden Prozesse flexibler und nachhaltiger – ein wichtiger Schritt hin zu ressourcenschonenden Produktionssystemen.

David Bitterolf (Siemens Digital Industries Motion Control, Mechatronic Support)

Vom Labor in die Anwendung

Die Innovation hat die Forschungsebene längst verlassen und wird bereits in ersten Pilotprojekten mit Industriepartnern erprobt. Dabei geht es vor allem darum zu zeigen, dass Roboter mit dem neuen Antrieb auch bei anspruchsvollen Bearbeitungsaufgaben zuverlässige Bahnen fahren. Dadurch eröffnet sich für kleine und mittelständische Unternehmen neues Potenzial – durch kompaktere, effizientere Fertigungszellen können Prozesse neu gedacht oder unausgeschöpftes Automatisierungspotenzial erschlossen werden. Ein Beispiel dafür sind die Vereinigung von additiven und subtraktiven Verfahren in einer Roboterzelle.

Stephan Hansen (Fraunhofer IFAM Stade, Automation and Production Engineering)

Was die Entwickler antreibt

„Echte Probleme vom Kunden sind die beste Anregung für neue Ideen“, sagt Bitterolf. Für Tauchmann ist der Teamgeist entscheidend. „Wenn man sich auf dem Spielfeld gut abstimmt, fallen die besten Tore.“ Hansen schätzt besonders die Verbindung von Forschung und Nachwuchsförderung: „Junge Kolleginnen und Kollegen über mehrere Jahre zu begleiten und gemeinsam Ergebnisse zu erreichen, ist unglaublich motivierend“. Und für Hamann erfüllt sich mit dem Preis ein Kindheitstraum: „Erfinder ist kein Beruf, auf den man sich bewerben kann. Es ist ein Attribut, das man sich erarbeitet und mit Stolz tragen darf“, erläutert er.

Tobias Hamann (Fraunhofer IFAM Stade, Automation and Production Engineering)

Der Blick nach vorn

Die neue Antriebsarchitektur eröffnet wegweisende Möglichkeiten in der Roboterachssteuerung. Aktuell arbeiten die Partner an der Optimierung des Algorithmus und prüfen, wie sich das Hybridprinzip auf andere Maschinenklassen übertragen lässt. Ziel ist eine neue Generation von Industrierobotern, die bei Fräs- und Auftragsprozessen höchste Bahngenauigkeit mit Präzision, Vielseitigkeit, Effizienz und Nachhaltigkeit vereint – ein Beispiel dafür, wie enge Kooperation zwischen Forschung und Industrie technologische Grenzen verschiebt.

Video: Robotics in action

Hybrid drive for industrial robots - High path accuracy

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