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Maßgefertigte Roboterkomponenten sind der Grund dafür, dass die moderne Robotik bei allem, was sie tut, erfolgreich ist. Dies umfasst alles von chirurgischen Robotern, die einen Knoten in einen Kirschstiel binden können, bis hin zu vollwertigen Humanoiden mit einem Hüftgelenk, das bei jedem Schritt Drehmoment überträgt.
Wenn Sie einen brandneuen Service- oder Humanoidroboter (oder eine spezialisierte Drohne, einen Industrieautomatisierungsarm oder sogar kundenspezifische Teile für Serviceroboter) entwerfen, beeinflusst jedes Gramm und jeder Mikrometer Material, wie Ihr Projekt am Ende aussehen wird. Eine einfache Fehlausrichtung von ein paar Mikrometern im Gelenk eines montierten Teils kann zu unbeabsichtigten und ungeschickten Bewegungen, vorzeitigem Verschleiß der Teile oder einem Gesamtsystemausfall führen.
Dieser Leitfaden gibt Ihnen einen allgemeinen Überblick darüber, wie Sie von Anfang bis Ende hochleistungsfähige kundenspezifische Roboterteile herstellen, einschließlich der Schritte zur Erstellung oder zum Kauf von maßgefertigten Roboterteilen, Prinzipien für die Gelenkauslegung, Überlegungen zu Materialien, fortschrittliche Fertigungstechniken und schließlich Qualitätstore. Am Ende dieses Buches verfügen Sie über genügend Informationen, um Informationen vorzubereiten und die richtigen Fragen zu stellen, wenn Sie maßgefertigte Roboterteile kaufen (oder mit einem Experten für die Herstellung kundenspezifischer Roboterteile zusammenarbeiten).
Wenn der Roboter ein Körper ist, dann sind seine Gelenke die Bewegungspunkte, die Agilität, Präzision und Lebensdauer bestimmen. Schlechtes Gelenkdesign ist der häufigste Grund, warum vielversprechende Roboter im Feldeinsatz versagen.
Konzentrieren Sie sich bei der Konstruktion von Humanoid- oder Industrierobotergelenken auf drei miteinander verbundene Bereiche:
1. Konzentrizität und Passungsanforderung:
Die Innenbohrung der lasttragenden Komponente eines Gelenks muss mit perfekter Konzentrizität ausgelegt sein, sodass das Außengehäuse perfekt konzentrisch dazu ist, um eine reibungslose Rotation des lasttragenden Elements darin zu gewährleisten. Für Gelenke, die hohen Belastungen ausgesetzt sind (Hüften/Knie), wird eine Toleranz von +/-0,01 mm und eine Rundheit von weniger als oder gleich 0,008 mm empfohlen.
2. Lastverteilung und Ausrundungsradius:
Jede scharfe Innenecke birgt die Gefahr von Rissbildung aufgrund wiederholter zyklischer Belastung. Es ist am besten, ausreichend große Ausrundungsradien (≥1 mm) in der CAD-Datei vorzusehen, um die Lastverteilung zu berücksichtigen und einen vorzeitigen Ausfall des Gelenks aufgrund von Ermüdungsversagen zu verhindern.
3. Reibungsoberflächengüte:
Die Oberflächengüte jeder Komponente, die mit anderen Komponenten in Kontakt steht, beeinflusst die Leistung des Gelenks. Wenn die Oberflächengüte von Komponenten auf einen Wert von weniger als oder gleich Ra=0,4μm bearbeitet wird, reduziert dies die durch Reibung erzeugte Wärmemenge erheblich, verlängert die Lebensdauer des Gelenks und hält die Bewegung der Gelenkkomponenten über Millionen von Zyklen genau.
Die Materialauswahl hat großen Einfluss auf Leistung, Bearbeitbarkeit und Kosten. Hier ist ein Vergleich der vier gängigsten Materialgruppen für kundenspezifische Roboterteile aus Metall und Kunststoff.
| Materialgruppe | Wichtigste Vorteile | Beste Anwendungen | Bearbeitungsschwierigkeit | Relative Kosten |
| Aluminium (6061-T6, 7075-T6) | Leicht (40 % leichter als Stahl), hervorragende Bearbeitbarkeit, gute Wärmeleitfähigkeit | Drohnenrahmen, Roboterchassis, Kühlkörper, mittelgroße Strukturhalterungen | Einfach – Hochgeschwindigkeitsfräsen | Niedrig bis mittel |
| Titan (Grade 5 / Ti-6Al-4V) | Außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht (880 MPa), biokompatibel, korrosionsbeständig | Hochbelastete Gelenke (Hüften/Knie bei Humanoiden), chirurgische Roboterteile, Strukturrahmen in Luftfahrtqualität | Schwierig – geringe Wärmeleitfähigkeit, hoher Werkzeugverschleiß | Hoch |
| Edelstahl (304, 316, 17-4 PH) | Hohe Festigkeit, verschleißfest, sterilisierbar | Getriebewellen, chirurgische Instrumente, hochverschleißfeste Oberflächen | Mittel | Mittel |
| Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) | Ultra-steif, extrem leicht, minimale thermische Ausdehnung | Hochgeschwindigkeitsarmsegmente, leichte Gelenkgehäuse, Drohnenpropeller | Schwierig – erfordert langsames Lagenfräsen, um Delamination zu verhindern | Hoch |
| PEEK / Delrin (Technische Kunststoffe) | Selbstschmierend, leicht (50 % Dichte von Aluminium), chemikalienbeständig | Zahnräder, Buchsen, Isolierkomponenten, Verschleißhülsen | Einfach – erfordert sorgfältige Wärmekontrolle | Mittel |
Aluminium 7075 ist die erste Wahl für die meisten kundenspezifischen Roboterrahmen und Armglieder. Es ist stark genug für dynamische Lasten, leicht zu bearbeiten und kostengünstig für große Produktionsserien.
CNC-gefräste kundenspezifische Roboterteile aus Titan sollten für sicherheitskritische, hochbelastete Komponenten reserviert werden, bei denen Gewichtseinsparungen und Korrosionsbeständigkeit die zusätzliche Bearbeitungskomplexität und die Kosten rechtfertigen.
Kundenspezifische Roboterteile aus PEEK eignen sich hervorragend für Anwendungen, die geringe Reibung, elektrische Isolierung und Verschleißfestigkeit erfordern – wie Buchsen, Zahnräder und Sensoruhren.
Es gibt viele Möglichkeiten, kundenspezifische Teile herzustellen. Hier ist ein kurzer Vergleich der relevantesten Methoden für die Robotik:
| Verfahren | Funktionsweise | Am besten geeignet für | Einschränkungen |
| CNC-Bearbeitung | Subtraktives Verfahren mit rotierenden Werkzeugen, die aus massiven Blöcken schneiden. Unterstützt Metalle und Kunststoffe mit einer Genauigkeit von bis zu ±0,003–0,01 mm. | Funktionale lasttragende Teile (Zahnräder, Gelenke, Strukturrahmen); sowohl Prototyping als auch Produktion | Teurer bei sehr hohen Stückzahlen (50.000 Teile) |
| 3D-Druck (Additiv) | Baut Teile Schicht für Schicht aus CAD-Daten auf. Keine Werkzeuge erforderlich. | Schnelle Konzeptmodelle, komplexe innere Gitterstrukturen, frühes Prototyping kundenspezifischer Roboterteile | Geringere Genauigkeit und Oberflächengüte; begrenzte Materialfestigkeit |
| Spritzguss | Spritzt geschmolzenen Kunststoff in Metallformen. Hohe Einrichtungskosten, sehr niedrige Stückkosten. | Großserienproduktion (50.000+ Einheiten) von Kunststoffgehäusen, Steckverbindern und Abdeckungen | Hohe anfängliche Werkzeugkosten; nicht geeignet für Metalle oder kleine Chargen |
| Laserschneiden | Verwendet einen fokussierten Laserstrahl zum Schneiden von plattenförmigen Materialien. | Dünne Metall- oder Kunststoffplatten, flache Halterungen und Roboterchassis-Paneele | Auf 2D-Formen beschränkt; keine komplexen 3D-Geometrien |
Für die meisten Robotik-Entwickler besteht der optimale Arbeitsablauf aus der CNC-Bearbeitung für strukturelle und funktionale Teile sowie dem 3D-Druck für schnelle Iterationen von nicht lasttragenden Abdeckungen, was erst nach dem endgültigen Design-Freeze zu spritzgegossenen Roboterteilen führt.
Erfahren Sie mehr über die Präzisionsbearbeitungsfähigkeiten von Falcon CNC Swiss für kundenspezifische Roboterteile.
Ein Teil, das für das bloße Auge perfekt aussieht, kann dennoch außerhalb der Toleranz liegen und zu Montagefehlern führen.
Standardtoleranzen für Roboterkomponenten
| Komponententyp | Maßtoleranz | Oberflächengüte | Anmerkungen |
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