Komponenten wie Kabel und Verbindungselemente müssen diese Bewegungen, mit Torsion von bis zu 1.000°/m und extrem engen Biegewinkeln von gerade einmal dem 7,5-fachen ihres eigenen Außendurchmessers millionenfach mitmachen. Versagt ein Kabel, kann eine ganze Fertigungsstraße zum Stillstand kommen und es entsteht ein Millionenschaden. Kein Wunder also, dass die Hersteller von Robotersystemen größten Wert darauf legen, dass jede eingesetzte Komponente und jedes Kabel für ihre individuellen Anforderungen konzipiert und für den Dauereinsatz auf Herz und Nieren getestet wurde.
Es gibt unzählige Einsatzbereiche und damit auch entsprechend viele Typen und Varianten von Robotersystemen, die heute in der Industrie zum Einsatz kommen. Daher sind auch die Anforderungen an Komponenten wie Kabelsysteme bei fast jedem Kunden unterschiedlich. Aus diesem Grund arbeiten Robotik-Unternehmen vorzugsweise mit Herstellern zusammen, die neben einer umfassenden Auswahl an Standardprodukten auch individuelle Sonderleitungen entwickeln und fertigen können. Dazu sind nicht nur die technische Kompetenz für die Fertigung, sondern auch umfassende Erfahrungen für die nötige Beratungskompetenz gefragt. Lapp Muller, der Robotik-Spezialist der Lapp Gruppe, befasst sich seit mehr als 15 Jahren intensiv mit dem Thema Robotik. Das 1939 in Paris gegründete Unternehmen gehört seit 2003 zu Lapp und hat heute seine Fertigung, mit einer Produktionsfläche von 5.000 Quadratmetern, in Grimaud an der Côte d‘Azur. Neben Verkabelungslösungen für Robotersysteme fertigt das Unternehmen auch Spezialkabel für Offshore-Anwendungen und Unterwasser-Applikationen wie Unterwasser-Kontrollleitungen für Tiefen bis 7.000 Metern.
Zu den Kunden von Lapp im Bereich Robotik gehören Unternehmen wie Comau Robotics und Hyundai, die Roboter für die Automobilfertigung herstellen, Imeca, die Roboter für Michelin produzieren, Cimlec, ein Installateur für französische Automobilhersteller wie Peugot-Citroen und Renault, Samsung, im Bereich der Halbleiterbearbeitung mit Schweißrobotern und Schleppketten, Nelson Bolzenschweiß-Technik und Dürr, Systempartner der Automobil- sowie Zulieferindustrie und viele mehr.
Flexibilität und Langlebigkeit
Auf Grund der extremen Rotations- und Biegewechselbewegungen von Robotersystemen müssen die eingesetzten Leitungen hochflexibel sein, einen kleinen Biegeradius haben und Torsionsbelastungen standhalten. Dazu kommt ein hoher Anspruch an die Qualität und Langlebigkeit der Komponenten, die diese Bewegungsabläufe millionenfach mitmachen müssen, ohne Schaden zu nehmen. Ein weiteres Problem ist das eingeschränkte Platzangebot für die Verkabelung: unterschiedliche Leitungen müssen auf kleinem Raum im Inneren des Roboters verlegt oder in einigen Fällen außen über die Achsen geführt werden.
Aus diesem Grund werden in der Robotik häufig Hybridkabel eingesetzt die mehrere Leitungen in einer einzigen Außenhülle zusammenfassen. Hier treffen dann beispielsweise Hochspannungsleitungen für eine hohe Energiezufuhr auf engstem Raum mit Datenleitungen zusammen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und entsprechende Schirmkonzepte aller Komponenten. Die Herausforderung dabei ist, dass auch die Hybridkabel trotz mehrerer Kabelstränge, Abschirmungs- und Füllmaterialien eine hohe Flexibilität und Stabilität gegenüber der Dauerbelastung aus Rotationen und Biegewechselbewegungen bieten müssen. An diesem Beispiel wird ersichtlich wie wichtig es ist, die unterschiedlichen Optionen beim Aufbau eines Kabels genau zu kennen und ihre Vor- und Nachteile für das jeweilige Einsatzgebiet und die damit verbundenen Belastungen in Praxistest zu erforschen, um die bestmögliche Methode für die Materialzusammenstellung zu wählen.
Die Materialwahl
Für die Abschirmung gibt es bei der Kabelherstellung generell zwei Techniken : Kupfer-Abschirmgeflechte oder Umlegungen. Bei einem Kupfer-Abschirmgeflecht werden Kupferdrähte zu einem engmaschigen Schlauch verflochten, der das Kabel umhüllt. Diese Methode erreicht hohe Abschirmwerte gegenüber elektromagnetischer Strahlung und wird daher bei vielen Hybridleitungen angewendet. Beim Einsatz in der Robotik ergibt sich allerdings ein Problem. Durch die Bewegungsabläufe der Robotersysteme sind die Kabel extremen Biegewechselbewegungen und hoher Torsion ausgesetzt. Bei starker Torsion verschieben sich die Lagen des Kupferdrahtgeflechts nach innen und außen. Dabei entstehen nicht nur Schäden im Kupfergeflecht selbst, es können auch andere Komponenten des Kabels beschädigt werden. Bei einer Torsion von 360° pro Meter lässt die Effizienz der Braid-Abschirmung oft bereits nach 100.000 Bewegungszyklen nach, denn es entstehen kleine Brüche und Löcher im Kupfergeflecht, das die Strahlung so immer weniger abschirmt. Bei Biegewechselbewegungen mit einem Radius vom zehnfachen des Außendurchmessers eines Kabels entsteht das gleiche Problem erst nach zwei bis drei Millionen Bewegungszyklen.
Daher setzt man bei Kabeln für die Robotik häufig als alternative Abschirmungsmethode die Umlegung ein. Umlegungen bestehen aus einer spiralförmigen Umwicklung mit Kupferdrähten beziehungsweise Kupferfolie in nur einer Laufrichtung. Diese Methode eignet sich gut für den dynamischen Einsatz, da der Verschleiß gering ist. Denn durch die gleiche Laufrichtung reiben sich die Kupferlagen nicht aneinander. Damit wird eine Effizienz der Abschirmung während der gesamten Lebenszeit des Kabels gesichert. Bei Wechselbiegebewegungen mit einem Radius vom zehnfachen des Außendurchmessers eines Kabels kann die Abschirmung über 10 Millionen Bewegungszyklen überleben, ohne Schaden zu nehmen. Auch bei einer Torsion von 360° pro Meter lässt sich eine ähnliche Lebensdauer erreichen.
Der Nachteil gegenüber der Braid-Methode liegt darin, dass bei bestimmten Torsionen oder Biegebewegungen vorübergehend Lücken im Abschirmungsnetz auftreten können. Die Abschirmungswerte und damit die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sind also im Idealzustand beider Abschirmungen bei der Braid-Methode höher. Entscheidend für die Wahl des Materials ist also das Einsatzfeld des Kabels. Benötigt man die größtmögliche Abschirmung und kann einen kürzeren Lebenszyklus in Kauf nehmen, fällt die Wahl auf Kupferabschirmgeflecht. Ist die lange Einsatzdauer ohne Schäden am Kabel entscheidend, emphielt sich eine Umlegung.
Keine Lösungen von der Stange
In den meisten Fällen kommen die Kunden mit genau definierten Anforderungen an die Kabelsysteme, die sie in einem Robotersystem einsetzen wollen, auf Lapp zu. Können diese Kriterien nicht von einem Produkt aus dem Standardsortiment erfüllt werden, so berät das Lapp-Team den Kunden individuell und entwickelt eine spezielle Lösung. Produkte, die in der Robotik Einsatz finden, sind beispielsweise Versorgungsleitungen, Hybridkabel als Rund- oder Flachkabel, Spiralkabel sowie spezielle Roboterkabel.
Ein Beispiel aus dem umfassenden Standardportfolio von Lapp ist beispielsweise das Robocable F1, das vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Das hochflexible Roboterkabel hat einen PUR-Außenmantel, ist beständig gegen eine Vielzahl von Ölen, Abrieb sowie UV-Strahlung. Dazu kommt eine Polyester-Isolierschicht, die speziell für die hohen Belastungen des Kabels entwickelt wurde. Die einzelnen Leitungsstränge im Inneren des Hybridkabels sind durch Kupferumwicklungen gegen Strahlungen abgeschirmt und das gesamte Kabel hat eine zusätzliche Kupfergeflecht-Abschirmung. Der dynamische Biegeradius liegt beim Zehnfachen des Außendurchmessers, der Torsionsfähigkeit bei ±180° pro Meter. Bis zu zehn Millionen Bewegungszyklen besteht das Kabel bei diesen Belastungen ohne Beeinträchtigungen.
Aufgrund einer speziellen Kundenanforderung entwickelte Lapp gemeinsam mit dem Kunden aus dem Robotik-Markt die Variante Robocable F1 Gold, das vor allem bei mehrachsigen Robotern, beispielsweise beim Verschweißen von Komponenten einer Automobilkarosserie, zum Einsatz kommt. Die Weiterentwicklung des F1-Kabels ist darauf ausgerichtet, hohe Leistungen unter noch größeren mechanischen Belastungen zu erbringen. Besonders die Kombination von Wechselbiege- und Torsionsbelastungen bei komplexen Roboterbewegungen führen bei herkömmlichen Kabeln häufig zu Brüchen sowie Schäden in der Abschirmungsschicht, die die Datenleitungen vor elektromagnetischer Strahlung schützt. Beim Robocable F1 Gold bestehen daher alle Abschirmungen aus Kupferumlegungen. Der dynamische Biegeradius konnte auf das 7,5-fache des Außenumfangs des Kabels verringert und die Torsionsfähigkeit auf ±360° pro Meter erhöht werden. Auch das F1 Gold ist für bis zu zehn Millionen Bewegungszyklen getestet. Eine weitere spezielle Variante des Robocable F1 Gold ist durch seine Schirmung aus einer Speziallegierung besonders zugfest: es hält bis zu 300 N/mm2 aus – verglichen mit 20 N/mm2, die andere Kabel erreichen. Änderungen lassen sich am Kabelaufbau, an der Materialzusammenstellung, an der Füllelemente und -materialien oder an den unterstützenden Elementen umsetzen.
Sprint für die Kurzstrecke
Eine besondere Herausforderung bei der Produktion von Roboterkabeln ist die geringe Kabellänge, die Kunden benötigen. Da ein spezielles Kabel häufig nur für eine ganz bestimmte Applikation benötigt wird, werden hier viel geringere Mengen abgefragt als für andere Kabelarten, wo die Mindestmengen oft mehrere Kilometer betragen.
Viele Hersteller scheuen daher die Produktion von Sonderkabeln für die Robotik, denn durch den zusätzlichen Entwicklungsaufwand und einen proportional höheren Materialverlust ist dieses Geschäft für viele Hersteller nicht rentabel. Gleichzeitig ist bei vielen Kundenanfragen auch nur eine sehr kurze Zeitspanne für die Produktion einkalkuliert, die lediglich erfahrene Spezialisten einhalten können. Lapp Muller kann Sonderkabel auch mit einer Länge von 100 Metern innerhalb von acht Wochen entwerfen und produzieren, das Werk ist deswegen auf die Hersteller geringer Losgrößen ausgerichtet. Zudem verfügt Lapp über eine Auswahl verschiedener Draht-Flechtmaschinen mit 18 bis 48 Spindeln. Die Extrusionsanlagen können jede Art von thermoplastischem Material, wie FEP, TPU oder TPE und auch Duroplast, wie XLPE, verarbeiten. Dabei werden Kabel mit Durchmessern von 0,8 bis 120 mm produziert. Die Anforderungen an Roboterkabel unterliegen, genau wie die Entwicklungen bei Robotersystemen, einer ständigen Evolution, sodass Kabelhersteller gemeinsam mit ihren Kunden permanent weitere Kabelsysteme entwickeln müssen.
Folterkammer Kabeltestanlage
Um zu ermitteln, wie bestimmte Standardprodukte oder entwickelte Kabel auf die Dauerbelastung bei bestimmten Bewegungsabläufen reagieren und wie lange sie diese unbeschadet überstehen, sind Tests in praxisnahen Anwendungen unerlässlich. Es gibt keine offiziellen Industriestandards für die Tests von Hochleistungskabeln. Lediglich einige IEC-Normen, wie 60245-2 für Kabel aus Gummi oder 60227-6 für PVC-Kabel, beziehen sich auf die Wechselbiegefestigkeit. Für den dynamischen Einsatz und die Dauerbelastung in der Robotik sind die in diesen Normen definierten Anforderungen wie „kein Kabelbruch nach 10.000 Bewegungszyklen“ aber viel zu niedrig. Lapp richtet seine Test daher an den Anforderungen seiner Robotik-Kunden aus, die in der Kabelfertigung sozusagen die Königsklasse bilden. Das Unternehmen verfügt Kabeltestanlagen mit der sich unterschiedlichste Bewegungszyklen simulieren lassen. Eine Schleppkettenanlage testet die Flexibilität und Langlebigkeit von Kabeln bei permanenten Biegewechselbewegungen mit variabel einstellbarem Radius. Die Torsions-Testanlagen simulieren entsprechende Tests mit Rotationsbewegungen, für die sich maximale Drehwinkel von ± 720° einstellen lassen. Eine einzigartige Kombi-Testanlage kann darüber hinaus anwendungsnahe Bewegungen aus der Robotik nachstellen indem sie kombinierte Biegewechsel- und Drehbewegungen ausführt.
Tests, die zwei Millionen Bewegungszyklen in praxisnaher Geschwindigkeit simulieren, können Monate in Anspruch nehmen. Alternativ lassen sich mechanische Tests durch die Verschärfung der Testparameter wie Biegeradius auch beschleunigen. Nur wenn die Kabel diese Folterkammer unbeschadet überstehen, sind sie für den Einsatz in der Robotik geeignet. Wichtige Branchen für den Einsatz von Robotersystemen sind die Automobilfertigung, die Elektronikindustrie, die Metallverarbeitung, Kunststoff- und Chemieindustrie. Das erklärt auch, warum es so entscheidend ist, dass alle Komponenten dieser Systeme höchste Ansprüche an Qualität und Langlebigkeit erfüllen und dies durch praxisnahe Tests belegt ist. Denn in der industriellen Fertigung kann in kürzester Zeit ein Verlust in Millionenhöhe entstehen, wenn eine einzige entscheidende Komponente im Robotersystem versagt und ein Produktionsband zum Stillstand kommt.
Der Text basiert auf Material von Jacques Besio, dem Leiter der Produktion bei Lapp Muller.
(rao)
