„Passen Präzision und Lebensdauer, sind Kunststoffgetriebe kostenmäßig unschlagbar“

Herr Niermann, was gab den Anstoß für die Entwicklung der Well-Getriebe?

Stefan Niermann: Das Wellgetriebe ist ein weiterer Baustein in unserem breiten Angebot an motion plastics. Das sind Produkte aus Tribo-Kunststoffen für bewegte Anwendungen, wie Gleit-, Linear- oder Kugellager ebenso wie Energiekettensysteme oder Low-Cost-Automation. Immer mit dem Ziel, beim Kunden durch den Einsatz von Kunststoff die Technik zu verbessern oder die Kosten zu senken. Im besten Fall Beides. Wir suchen immer nach Anwendungen, bei denen sich Elemente, in erster Linie Metallteile, gegeneinander bewegen. Deren elementarer Nachteil ist die notwendige Schmierung. Unser Ziel ist es, diese Anwendungen in Kunststoff zu realisieren. Unsere Lösungen sind dank der verwendeten tribologischen Kunststoffe nicht nur schmierfrei, sondern auch leichter und in Summe auch nachhaltiger hinsichtlich Energiebedarf bei der Herstellung und Ressourceneinsatz.

Michael Otrebowski: Unser Ansatz ist, gerade auch im Bereich der Low-Cost-Automation, möglichst viele Maschinenbaukomponenten zu finden, die sich auch in Kunststoff realisieren lassen – mit allen technischen Herausforderungen, die dabei auftreten. Nach Linearführungen, Gewindetrieben und Schneckengetrieben gibt es jetzt auch ein neues Well-Getriebe aus Kunststoff.

Und welche Herausforderungen sind das konkret?

Michael Otrebowski: Die bekannten Lösungen basieren in der Regel auf metallischen Werkstoffen. Mit Kunststoffen erreichen wir nicht die mechanischen Kennwerte, haben aber eine hohe Designfreiheit. Damit die Kunststoffe ihre Vorteile ausspielen können, setzen wir häufig auf eine Neukonstruktion.

Das Well-Getriebe ist also das fehlende Glied in ihrer Low-Cost-Robotik-Strategie?

Wellgetriebe mit Kunststoff-Zahnrädern

igus

Um einfache Bewegungen zum Beispiel an der 5. Roboterachse kostengünstig zu realisieren, hat igus neuartige Wellgetriebe auf Basis seiner Tribo-Polymere entwickelt. Diese schmierfreien Kunststoffe machen die Getriebe nicht nur wartungsarm und langlebig, sondern gleichzeitig kompakt und leicht ‒ alles Eigenschaften, die bei Cobots und in der Low-Cost-Automatisierung zählen.

Stefan Niermann: Ja, speziell in der Produktsparte der Gelenkarm-Roboter. Wir nennen den Bereich bei igus auch nicht ohne Grund Low-Cost-Automation anstatt Robotik. Wenn über Robotik gesprochen wird, sehen viele hauptsächlich den Gelenkarm-Roboter. Robotik ist aber viel mehr: Es gibt kartesische oder Portal-Roboter, Delta-Roboter, Scara-Roboter. Gerade die Portal-Roboter verkaufen wir durchaus in großen Stückzahlen. Und bei diesen Roboter-Typen haben wir bislang keine Getriebetechnologie benötigt.

Und das Well-Getriebe für die fünfte Achse ist der Einstieg in diese Technologie für Roboter-Achsen?

Stefan Niermann: Einstieg kann man nicht sagen, denn bisher haben wir Roboter-Gelenkarme mit dem Schneckenradgetriebe realisiert. Diese Technologie verwenden wir schon länger als 5 Jahre und sie hat sich bewährt. Aber Anforderungen wie Platzbedarf, Gewicht und Übersetzung prädestinieren das Wellgetriebe für die Robotergelenke.

Wann begannen die ersten Überlegungen zu der Getriebeart?

Stefan Niermann: In unserer Serviceroboter-Studie Rebel vor rund zwei Jahren hatten wir schon Prototypen des Wellgetriebes verbaut. Aus der Studie ist jetzt der erste Katalogartikel entstanden – das aktuelle Getriebe für die fünfte Achse zum Drehen des Greifers an Roboterarmen – der künftig in unserer industriellen Robolink-Reihe DP zum Einsatz kommt. Industriell heißt mindestens eine Million Bewegungszyklen mit gleichbleibendem ruhigem Lauf unter den zulässigen Belastungsdaten.

Und der Entwicklungsaufwand lohnt sich für dieses Szenario.

Michael Otrebowski: Natürlich haben wir noch viel mehr damit vor. Mittelfristig planen wir in jedem Gelenkarm des Roboters Wellgetriebe einzusetzen. Aber da sind noch weitere Entwicklungsschritte zu gehen. Wellgetriebe in allen Robotergelenken erfordert dann relativ hohe Haltekräfte und Drehmomente, die auf die Zahnräder wirken.

Stefan Niermann: Momentan hat der Roboter Robolink DP serienmäßig nur in der 5. Achse dieses Wellgetriebe verbaut. Mit dem aktuellen Ansatz des Wellgetriebes, bei dem wir die Laufruhe und Lebensdauer gegenüber dem Prototyp von 2018 wesentlich verbessern konnten, haben wir die industrielle Einsatzreife sichergestellt.

Die nächste Herausforderung ist es, im Rebel in jeder Achse ein Wellgetriebe einzusetzen. Die dafür notwendigen Kennwerte haben wir noch nicht ganz erreicht. Daher laufen derzeit weitere Forschungen und aufwendige Tests.

Wie funktioniert denn das Well-Getriebe?

„Cobot-Anbieter können die Payload ohne viel Aufwand signifikant erhöhen.“Michael Otrebowski, igus IEE-Redaktion

Michael Otrebowski: Das erste Wellgetriebe wurde 1955 von Walton Musser entwickelt. Dessen Prinzip eines elliptischen Innen-Zahnrads haben wir adaptiert: Die Hauptbestandteile der Getriebe sind der sogenannte Wellgenerator, der Flexring mit Außenverzahnung sowie ein gehäusefester Außenring und ein drehbares Abtriebselement mit Innenverzahnung. Der elliptische Wellgenerator wird von einem Motor angetrieben und überträgt seine Bewegung auf den umliegenden Flexring. Aufgrund der elliptischen Bewegung greift die Verzahnung des Flexrings immer nur an zwei Stellen in die Verzahnung des Außenrings und des Abtriebselements. Da der Außenring zwei Zähne mehr hat als die anderen Bauteile, wird der Flexring pro Umdrehung des Wellgenerators auch nur um zwei Zähne weiterbewegt.

Es sind immer nur wenige Zähne im Eingriff. Lässt sich das nicht durch eine andere Geometrie des Reibrads oder Parallelschaltung mehrerer Zahnräder erhöhen?

Michael Otrebowski: Das ist natürlich ein interessanter Ansatz, die Fläche zu vergrößern, wenn man größere Kräfte übertragen möchte. Nur, aufgrund des Wirk-Prinzips des Wellgetriebes würde man mit zusätzlichen Kontaktstellen zwangsläufig auch die Übersetzung verringern. Das heißt, man könnte dann aus dem kleinen Motor nicht mehr so eine hohe Kraft herausholen und der Motor würde irgendwann an seine Grenzen stoßen.

Das Funktionsprinzip stammt aus den 60er Jahren. Ist das Verfahren denn noch zu verbessern?

Michael Otrebowski: Es gibt einige Anbieter, die das Prinzip nutzen, aber nur in Verbindung mit metallischen Materialien. Der Erfolg dieser Lösungen basiert unter anderem auf der hochpräzisen Fertigung der Zahnräder und dem dadurch ermöglichten Schmierfilmaufbau. Wir nutzen dagegen Kunststoffe und fertigen im SLS-Verfahren oder bevorzugt im Spritzgussverfahren. Hier sind andere Toleranzen gefordert und auch der Verzicht auf Schmiermittel verlangt ein Umdenken des Wellgetriebekonzepts. Eine reine Kopie der metallischen Lösungen aus Kunststoff kann nicht funktionieren.

Gibt es Erfahrungen, was den Alterungsprozess betrifft? Schließlich wird das Innenzahnrad ständig gewalkt.

Stefan Niermann: Hier hilft uns unsere jahrzehntelange Kunststoffexpertise und unser Testlabor, in dem wir unsere tribologischen Kunststoffe testen und optimieren. Die Erfahrungen, die wir aus anderen Applikationen gesammelt haben, sind in die Materialauswahl bei den Wellgetrieben eingeflossen.

Michael Otrebowski: Mit der Alterung haben wir allgemein keine Probleme bei unseren technischen Kunststoffen. Natürlich kann es irgendwann zu Ermüdungsbrüchen kommen und es gibt auch an Kunststoffteilen – wie bei Metall auch – Verschleiß. Deswegen ist es unser Anspruch auch bei den Getrieben eine Lebens­dauerberechnung zur Verfügung zu stellen.

Niemand spricht gerne über einen möglichen Ausfall seiner Produkte. Aber beim Wellgetriebe ist aus meiner Sicht das flexible Zahnrad prädestiniert, als Soll-Verschleißteil ausgelegt zu werden, da es sich relativ schnell tauschen lässt.

„Herausforderungen wie Torque Ripple und Lebensdauer haben wir angenommen und gelöst.“ Stefan Niermann, igus IEE-Redaktion

Stefan Niermann: Man sollte bei mechanischen Bauteilen immer offen mit dem Thema Verschleiß umgehen. Ungeschmierte Metallteile, die sich gegeneinander bewegen, neigen zum Fressen und fallen dann schlagartig aus. Bei Kunststoffen ist der Verschleiß leichter zu prognostizieren. Und wenn man viel testet, kann man ihre Lebensdauer berechnen. Viele Marktbegleiter machen hier nur sehr allgemeingültige Aussagen über ihre mechanischen Bauteile aus Kunststoff.

Wir stellen die Berechnungsmöglichkeiten für unsere Kunststoffe online kostenfrei zur Verfügung. Basis dafür sind die Versuche und generierten Daten in unserem 3800 Quadratmeter großen Testlabor in Köln. Denn der Kunde soll sich sicher sein, dass er das richtige Bauteil für seine Applikation und seine Anforderungen gewählt hat. Damit Anwender das Bauteil ohne sich Gedanken machen zu müssen auch über die von uns garantierte Laufleistung hinaus weiter nutzen kann, haben wir Komponenten im Programm, mit denen sich die Standzeiten verlängern und die ursprünglichen Eigenschaften wiederherstellen lassen. Für Linearführungen bieten wir beispielsweise austauschbare Gleitlager an, die ohne Demontage der Zahnriemenachse ausgewechselt werden können.

Michael Otrebowski: Dieses Service-Prinzip haben wir auch bei den Wellgetrieben umgesetzt. Der Anwender kann den flexiblen Wellring als das vermeintliche schwächste Bauteil einfach austauschen und damit die Lebensdauer verlängern und die ursprünglichen Getriebeeigenschaften wiederherstellen.

Welche Änderungen am aktuellen Wellgetriebe umgesetzt werden…

Welche Änderungen wurden am aktuellen Wellgetriebe umgesetzt?

Michael Otrebowski: Wir haben Wellring, Wellgenerator und die Verzahnung angepasst. Der größte Unterschied liegt dabei im Wellring. In der vorherigen Version war er als Topf ausgeführt, der fest mit dem Abtrieb verbunden war. Jetzt haben wir einen losen Ring, der vom Abtrieb entkoppelt ist und die Form des rotierenden Wellgenerators leichter annehmen kann. Um die Drehbewegung weiterzuleiten, greift die Verzahnung des Flexrings in ein zusätzliches Bauteil ein.

Und was hat das verbessert?

Michael Otrebowski: Um das Getriebe zu bewegen, war bei der ersten Generation ein höherer Kraftaufwand notwendig. Der Topf neigte dazu in der Ausgangsform zu verbleiben und sich im Betrieb nicht gleichmäßig zu verformen. Die Folge waren stärkere Drehmomentschwankungen. Die Trennung der Bauteile hat die Drehmomentschwankungen deutlich reduzieren können, konkret: von 1 Nm auf 0,2 Nm, bei einem Nenndrehmoment von 2,5 Nm und 6 Umdrehungen pro Minute. Im Ergebnis bekommt man einen sehr gleichmäßigen Lauf des Getriebes.

Wo liegen denn momentan die Leistungsgrenzen dieser Getriebe?

Michael Otrebowski: Bei der Baugröße Nema 17 garantieren wir bei 1,5 Nm und 6 Umdrehungen pro Minute 1 Million Zyklen. Das ist eine Kennzahl, die wir aufgrund unserer Versuche ermitteln konnten. Das Getriebe kann natürlich auch höhere Drehmomente übertragen, das dann aber immer zu Lasten der Lebensdauer geht. Bei der aktuell verwendeten Motorenart können wir bis zu 4 Nm erzeugen.

Sind das die Zielvorgaben typischer Applikationen, die igus zur Markteinführung adressiert?

Stefan Niermann: Ja. Im Moment fokussieren wir uns auf die 5. Achse des Robolink-Baukastens. Hier liegen die zu drehenden Massen bei maximal 3 kg. Da auch die Zykluszeit des Roboters zwischen 6 und 10 Sekunden liegt, brauchen wir hier aktuell auch kein schneller drehendes Getriebe.

Welche anderen Einsatzzwecke haben Sie denn noch im Sinn?

„Das Wellgetriebe ist prädestiniert fürs Handling von Massen bis max. 5 kg.“ Stefan Niermann, igus IEE-Redaktion

Stefan Niermann: Es muss nicht immer unser Roboter sein. Wir denken, dass das Kunststoff-Wellgetriebe auch Interesse bei anderen Roboterherstellern wecken kann. Denn die Gewichtsreduzierung und Preisersparnis ist natürlich auch für diese interessant. Warum nicht einfach die 5. Achse mit einem Kunststoffgetriebe realisieren? Aufgrund der Eigenschaften des Kunststoff-Wellgetriebes – geringes Gewicht, hohe Übersetzung, keine Schmierung, günstige Herstellungskosten – sind aber auch andere Einsatzfälle wie zum Beispiel in Verkehrs- und Transportmitteln.

Wie viel Prozent leichter baut es denn, wenn man die Leistungswerte und die Baugröße vergleicht?

Michael Otrebowski: Dazu vergleicht man am einfachsten Mal die Dichte der Materialien. Metall liegt bei 7,5 g/cm³, Kunststoff zwischen 0,9 und 1,4 g/cm³. Der Faktor liegt zwischen 5 und 6. Bei einem Wechsel von Stahl auf Aluminium, wie wir es wegen der Steifigkeit beim Gehäuse verwenden, bedeutet das einen Faktor 3. In Summe kommen wir auf rund 90 g Masse beim Nema 17-Getriebe. Gegenüber einem vergleichbaren Getriebe aus Stahl mit 600 g ist das eine enorme Gewichtsreduzierung.

Stefan Niermann: Bei Leichtbau- oder MRK-Robotern, deren Payload im Bereich weniger Kilogramm liegt, sind 500 g eine ganze Menge. Bei 2 kg Traglast wären das 25 % Leistungssteigerung allein durch den Wechsel auf unser Wellgetriebe aus Kunststoff.

Also MRK und Cobots sind ein Zielmarkt?

Stefan Niermann: Definitiv ja. Die Entwicklung auf diesen Märkten schreitet ja stetig voran. Gerne würden wir alle Anbieter von Service-Robotern mit unseren leichten und günstigen Lösungen beliefern. Das Interesse ist bereits groß.

Und die Flanschmaße sind darauf abgestimmt?

Michael Otrebowski: Im Moment sind sie abgestimmt auf den Schrittmotor. Ob das immer die richtige Motortechnologie ist, muss jeder für sich selbst entscheiden. Wir haben für unsere Roboter diese Technologie gewählt, weil Schrittmotoren günstig sind und für die von uns anvisierten Anwendungen genügend Drehzahl und Drehmoment liefern. Wir denken aber bereits über BLDC-Motoren nach, die in der nächsten Ausbaustufe unseres Rebel-Roboters zum Einsatz kommen. Dieser Motortyp liefert höhere Drehmomente bei kleineren Drehzahlen und kann leichter ins Roboter-Gelenk mit eingebracht werden.

Was passiert eigentlich bei einer Überlastung des Schrittmotors?

Stefan Niermann: Der Wellgenerator ist so ausgelegt, dass der Motor Schritte verliert und das Getriebe keinen Schaden nimmt. Die Elektronik erkennt das und setzt eine Meldung ab. Die Achse muss dann neu referenziert werden.

Michael Otrebowski: Von Vorteil ist auch die Selbsthemmung des Getriebes. Das Getriebe wird in der Anwendung die Position halten wollen. Zudem ist die Haltekraft des Motors hoch, so dass es hohe Drehmomente braucht, bis sich die Achse ungewollt bewegt und Schritte verloren gehen.

Und Sie gehen mit der Baugröße Nema 17 in Hannover an den Start?

Stefan Niermann: Wir starten mit dem Nema 17-Getriebe, welches aber auch adaptierbar an Motoren der Größe Nema 11 oder Nema 23 ist. Das Getriebe kann mit oder ohne Motor geliefert werden und die optionale runde Adapterplatte hat die handelsüblichen Lochbilder der klassischen Hersteller von Robotik und Greifern.

Und ist dann auch über den igus Onlineshop bestellbar?

Stefan Niermann: Ja, das Produkt ist ab der Hannover Messe 2020 online verfügbar, mit einer Lieferzeit von nur 24 Stunden!

Das Interview führte Chefredakteur Stefan Kuppinger.