Warum CNC-Bearbeitung für verkörperte Roboter wichtig ist
Wenn Sie diese Roboter, die wie Körper wirken, direkt vor Ihren Augen Saltos schlagen sehen, machen Sie sich dann jemals Sorgen, dass sie auseinanderfallen oder Fehlfunktionen aufweisen könnten? Gelenke beugen sich. Arme strecken sich. Die gesamte Struktur ist realen Kräften ausgesetzt – Schwerkraft, Trägheit und Stößen.
Die Hardware muss also steif, leicht und präzise sein.
In diesem Bereich dominieren zwei Verfahren die Prototypenerstellung und die Fertigung kleiner bis mittlerer Stückzahlen. CNC-Bearbeitung und Blechbearbeitung. Beide Verfahren sind zugänglich. Beide ermöglichen die schnelle Herstellung von Bauteilen. Sie dienen jedoch unterschiedlichen Zwecken.
Diese beiden Prozesse sind auch für die Herstellung von verkörperten Robotern von großer Bedeutung. Anschließend zeige ich Ihnen Schritt für Schritt, wie CNC-Bearbeitung und Blechbearbeitung zusammenwirken, um einen verkörperten Roboter zu bauen.
CNC-gefräste Bauteile (Der Präzisionskern)
Einige Bauteile bestimmen die Leistungsfähigkeit des Roboters. Sie tragen die Lasten. Sie legen die Genauigkeit fest. Ohne sie driftet die gesamte Maschine ab und versagt.
Gelenkgehäuse
Diese befinden sich an Schultern, Hüften, Knien und Knöcheln. Jedes einzelne kann die volle Kraft eines schwingenden Gliedes oder einer Körperpositionsveränderung aufnehmen. Das Gehäuse benötigt präzise Bohrungen. Die Lager sitzen passgenau. Die Dichtungen sind konzentrisch zur rotierenden Welle angeordnet.
Sofern der Kunde keine speziellen Anforderungen hat, fertigen wir diese Teile in der Regel aus Aluminium 6061 oder 7075. Die 5-Achs-CNC-Bearbeitung ist hierfür optimal. Das Werkzeug kann Hinterschnitte und Schrägflächen in einer Aufspannung bearbeiten. Ein erfahrener Zerspanungsmechaniker kann dasselbe Teil aber auch auf einer 3-Achs-Fräsmaschine herstellen. Dies erfordert jedoch mehrere Aufspannungen, mehr Vorrichtungen und eine sorgfältige Neuausrichtung der Bezugspunkte. Die 5-Achs-Bearbeitung ist schneller und genauer. Die 3-Achs-Bearbeitung ist bei Kleinserien kostengünstiger.
Drehwellen
Diese Teile drehen sich. Sie übertragen das Drehmoment von einem Motor auf ein Gelenk. Die Geometrie ist etwas knifflig. Lagerzapfen erfordern eine präzise Durchmesserkontrolle. Keilwellen oder Passfedern übertragen die Rotation schlupffrei. Die Gewindeteile halten die Sicherungsmuttern oder Riemenscheiben. Viele Wellen haben zudem interne Durchgangsbohrungen. Kabel für Sensoren oder Stromversorgung verlaufen mitten durch die rotierende Baugruppe.
Wir fertigen diese Wellen mit CNC-Drehmaschinen und angetriebenen Werkzeugen. Die Drehmaschine übernimmt das Drehen der Außendurchmesser. Angetriebene Werkzeuge fräsen die Flächen, bohren die Querbohrungen und schneiden die Keilnuten, ohne dass das Werkstück von der Spindel entfernt werden muss. Bei komplexen Wellen empfiehlt sich in der Regel ein 5-Achs-Dreh-Fräszentrum. Dieses kann außermittige Merkmale und Winkelbohrungen in einer Aufspannung bearbeiten.
Der Materialweg ist hier entscheidend. Zuerst wird die Welle grob vorbearbeitet. Achten Sie darauf, Wellen mit kritischen Durchmessern auf Lager zu haben. Anschließend wird sie wärmebehandelt. Die Zielhärte liegt je nach Legierung und Verschleißfestigkeit zwischen HRC 45 und 60. Nach der Wärmebehandlung werden die Lagerzapfen und Dichtflächen feingeschliffen. Schleifen ermöglicht eine Präzision, die beim Drehen nicht erreicht werden kann. Das Ergebnis ist eine Welle, die rund läuft, sich langsam abnutzt und die gesamte Lebensdauer der darin verbauten Roboter erreicht.
Torso-Chassis (Hauptmontageplatte)
Dies ist das Rückgrat des Roboters. Alles ist daran angeschlossen: Computer, Akkus, Aktuatoren, Kabelmanagementsysteme. Die Platte bietet ebene, parallele Bezugsflächen. Wenn die Platte verbogen oder verdreht wird, passt nichts mehr richtig. Ihre Roboter stehen dann schief.
Wir fertigen dieses Teil aus einer Aluminiumplatte. Die Dicke variiert je nach Robotergröße und -bauweise zwischen 12 und 25 Millimetern. Die Bearbeitung ist zwar einfach, aber recht aufwendig. Hunderte von Gewindebohrungen müssen präzise gebohrt und geschnitten werden. Eine Bohrung an der falschen Stelle kann teuer werden. Werkstätten verwenden CNC-Bearbeitungszentren mit Messtasterzyklen, um die Position der Bohrungen vor dem Gewindeschneiden zu überprüfen.
Kleine Präzisionsteile
Nicht jedes Bauteil ist ein tragendes Schott. Manche Teile sind winzig. Sie erfordern andere Maschinen und ein anderes Vorgehen.
Fingerknochen und Handglieder sind klein, komplex und zahlreich. Eine menschliche Hand besitzt etwa fünfzehn bis zwanzig bewegliche Glieder. Jedes einzelne hat Lagerflächen, Drehzapfen und Kabelführungen. Langdrehmaschinen sind hierfür ideal. Sie bearbeiten lange, dünne Teile aus Stangenmaterial mit außergewöhnlicher Rundlaufgenauigkeit. Für noch kleinere Strukturen eignen sich Mikrofräsmaschinen am besten. Die von uns verwendeten Werkzeuge haben einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter. Die Vorschubgeschwindigkeiten werden in Mikrometern pro Zahn gemessen.
Kraft-/Drehmomentsensoren mit flexiblen Bauteilen stellen eine ganz andere Herausforderung dar. Es handelt sich um dünnwandige, elastische Strukturen, die unter Druck etwas nachgeben. Dehnungsmessstreifen erfassen diese Verformung. Das Bauteil muss jedes Mal perfekt in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Bei zu viel Material kann der Sensor unempfindlich werden. Die Verformung reicht dann nicht mehr aus, um dauerhafte Änderungen zu bewirken. Bei der Bearbeitung von Aluminium oder 17-4PH-Edelstahl ist eine sorgfältige Werkzeugwegsteuerung unerlässlich. Jede Schnittspur führt zu einer Spannungskonzentration. Viele Betriebe müssen deshalb die Hälfte ihrer ersten Charge aussortieren.
Lagerhalteplatten und Encoderhalterungen sind einfacher, aber dennoch präzise. Sie lagern die Lager axial. Sie halten die Encoder-Leseköpfe mit exakten Luftspalten. Toleranzen sind wichtig, aber die Geometrie ist in der Regel recht einfach.
Konstruktionsregeln für die CNC-Bearbeitung (Aufzählungsliste)
Sie möchten wissen, was ich denke? Worauf Sie besonders achten sollten? Ich habe ein paar Punkte zusammengestellt, von denen ich hoffe, dass sie hilfreich sein werden.
- Vermeiden Sie nach Möglichkeit enge, schmale Taschen. Jede Tasche, die mehr als viermal so tief wie breit ist, stellt ein Problem dar. Späne können nicht gut abtransportiert werden. Das Kühlmittel erreicht die Schnittzone nicht. Lange, dünne Schaftfräser können rattern oder brechen. Überarbeiten Sie das Werkstück oder fügen Sie eine Durchgangsbohrung hinzu, um den Späneabtransport zu erleichtern.
- Verwenden Sie für Innenecken einfach Standard-Schaftfräserradien. Die gängigsten Radien sind 1.5 mm, 3 mm und 6 mm. Diese passen zu Standardwerkzeugen. Bei einem nicht standardmäßigen Radius, beispielsweise 4.2 mm, muss die Werkstatt ein Werkzeug speziell anfertigen oder mehrere Durchgänge durchführen, um die Ecke zu bearbeiten. Beides verursacht zusätzliche Kosten und verlängert die Lieferzeit.
- Enge Toleranzen sollten nur dann festgelegt werden, wenn sie wirklich notwendig sind. Ein Lagerzapfen oder eine Zahnradauflagefläche benötigt beispielsweise eine Toleranz von ±0.005 mm. Ein kosmetisches Außenprofil hingegen nicht. Viele Konstrukteure legen enge Toleranzen für jede einzelne Dimension fest. Das führt letztendlich nur zu höheren Kosten, ohne die Funktion zu verbessern. Wählen Sie Ihre Partner daher sorgfältig aus.
- Ziel ist es, möglichst wenige Rüstvorgänge zu ermöglichen. Jedes Mal, wenn ein Werkstück aus der Maschine entnommen und wieder eingespannt wird, sinkt die Genauigkeit und die Zykluszeit steigt. Ein Werkstück, das in ein oder zwei Aufspannungen bearbeitet werden kann, kostet nur die Hälfte im Vergleich zu einem Werkstück, das fünf Aufspannungen benötigt. Orientierungsmerkmale sind nur aus einer Richtung zugänglich. Hinterschnitte sollten möglichst vermieden werden. Konstruieren Sie maschinengerecht, nicht nur funktionsgerecht.
Blechbearbeitung Komponenten (Der leichte Rahmen)
Verkörperte Roboter sind hochkomplex, dennoch gibt es einige Komponenten, die stabil, leicht und kostengünstig sein müssen. Hier spielt Blech seine Stärken voll aus. Es wird zur Herstellung der Roboterhaut und sekundärer Strukturen verwendet.
Torso-Gehäuse und -Paneele
Denken Sie an Seitenwände, Rückwände und Oberseiten. Diese halten Staub fern und Kabel im Inneren. Außerdem verleihen sie dem Roboter ein fertiges Aussehen. Wir alle wissen, dass ein Kabelsalat an einem Prototyp unschön aussieht.
Wir fertigen unsere Produkte mit einem Laserschneider. Die Maschine schneidet flache Rohlinge aus 1.5 bis 2 Millimeter dicken Aluminiumblechen. Diese Rohlinge sind mit Belüftungslöchern versehen und verfügen über Aussparungen für Kabeldurchführungen. Anschließend wird das Werkstück zu einer Abkantpresse transportiert. Dort wird es gebogen, gefalzt und in die gewünschte 3D-Form gebracht.
PEM-Muttern sind hier Standard. Es handelt sich um Einpressmuttern mit Gewindeeinsätzen. Diese werden nach dem Biegen in einer Werkstatt montiert. Der Einsatz schließt bündig mit der Blechoberfläche ab. So können Sie nun ein dünnes Aluminiumblech mit einer Stahlschraube verwenden, ohne das Gewinde zu beschädigen. Kinderleicht. Funktioniert einwandfrei.
Bein- und Armverbindungen
Die Gliedmaßen eines verkörperten Roboters müssen nicht aus massivem Metall bestehen. C-Profile und geschlossene Gehäuse eignen sich gut. Beide werden aus gebogenem Blech hergestellt.
Eine gängige Methode verwendet zwei U-Profile. Jedes Profil ist einfach gebogen. Ein Monteur setzt sie Rücken an Rücken zusammen und vernietet die Flansche. Das Ergebnis ist ein geschlossenes Kastenprofil. Es ist biege- und torsionssteif und leicht, da sich der größte Teil des Materials an den Außenflächen befindet. Dies entspricht dem Prinzip eines I-Trägers oder eines Fahrradrahmenrohrs.
Diese Blechverbindungsstücke werden direkt mit den präzisionsgefertigten Gelenkgehäusen verschraubt oder vernietet. Das Gehäuse bildet die präzisen Lagerflächen. Das Blechverbindungsstück sorgt für die notwendige strukturelle Reichweite. Jedes Material erfüllt seine jeweiligen Anforderungen optimal.
Batteriegehäuse
Lithium-Ionen-Zellen benötigen Schutz. Ein Einstich kann einen Brand auslösen. Eine Delle kann einen internen Kurzschluss verursachen. Batteriegehäuse sind im Prinzip gebogene Boxen mit abnehmbaren Deckeln. Das Blech bietet Stoßfestigkeit und verhindert zudem, dass die Zellen bei Wartungsarbeiten versehentlich mit Werkzeugen oder Schmutz in Berührung kommen.
Die Designer haben diese Gehäuse mit gebogenen Laschen versehen. Diese Laschen sind mit Löchern versehen, die in die Gewindeeinsätze des Gehäuses passen. Der Akku wird von wenigen Schrauben gehalten und lässt sich in Sekundenschnelle entnehmen und wieder einsetzen. Das Blechgehäuse ist zwar etwas schlicht, aber es funktioniert zuverlässig.
Elektronik-Montagehalterungen
Sensoren und Leiterplatten benötigen Halterungen. Diese müssen nicht kompliziert sein. Einfache L- und Z-Winkel genügen. Sie werden beispielsweise für Kameras, LiDAR-Sensoren und Mikrocontroller verwendet.
Der Prozess ist ziemlich schnell. Man fertigt eine Schablone aus einem 1 bis 1.5 mm dicken Aluminiumblech an. Dann biegt man es einfach mit einer Abkantpresse. Fertig. Die Bearbeitungszeit beträgt nur Tage, nicht Wochen. Diese Geschwindigkeit ist besonders wichtig bei der ersten Version eines Produkts. Muss ein Sensor neu positioniert werden? Dann entwirft man eine neue Halterung. Einfach zuschneiden, biegen und ausprobieren. Der gesamte Vorgang dauert nur einen Nachmittag.
Fußplatten (einfache Ausführung)
Die Fußplatte überträgt die Bodenreaktionskräfte auf die Beinstruktur. Die einfachste Ausführung ist eine flache Platte.
Wasserstrahlschneiden ist hier die beste Option. Es entsteht keine Wärmeeinflusszone. Es bleiben keine rauen Stellen zurück, die nachbearbeitet werden müssen. Die Platte bleibt plan und spannungsfrei. Anschließend werden in einer Werkstatt die Befestigungslöcher für den Kraft-/Drehmomentsensor gebohrt und mit Gewinde versehen.
Unsere Ingenieure verwenden aufgrund der höheren Haltbarkeit bevorzugt Federstahl anstelle von Aluminium. Die Platte biegt sich unter Druck leicht durch, kehrt aber anschließend wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Dadurch ist sie langlebiger. Der Nachteil liegt im höheren Gewicht und der geringeren Korrosionsbeständigkeit. Federstahl ist schwerer und rostet ohne Beschichtung.
Konstruktionsregeln für die Blechbearbeitung
Diese Regeln tragen dazu bei, dass die Teile herstellbar bleiben. Andernfalls könnte eine Werkstatt zurückrufen und Änderungen verlangen oder einen höheren Preis berechnen.
- Achten Sie darauf, dass der Lochdurchmesser mindestens so groß ist wie die Materialstärke. In jeder 1 mm dicken Platte muss sich ein Loch mit mindestens 1 mm Durchmesser befinden. Kleinere Löcher erfordern Spezialwerkzeug oder zusätzliches Bohren. Beides verursacht zusätzliche Kosten.
- Achten Sie auf den richtigen Abstand zwischen Loch und Biegung. Als Faustregel gilt: 2.5-fache Materialstärke plus Biegeradius. Ist das Loch zu nah an einer Biegung, verformt sich das Material. Es dehnt sich an der Biegung nach außen, wodurch das Loch eher oval wird. Die Befestigungselemente passen dann nicht mehr.
- Die Flanschhöhe sollte mindestens dem Vierfachen der Materialstärke entsprechen. Ist der Flansch zu kurz, lässt er sich nicht präzise formen. Die Matrize der Abkantpresse benötigt ausreichend Material zum Einspannen. Kurze Flansche sind zudem zu wenig steif und neigen unter Last zum Wackeln.
- Verrunden Sie die Innenecken. Scharfe Ecken können die Oberfläche stark belasten. Bei einem gebogenen Bauteil ist eine scharfe Innenecke eine potenzielle Rissquelle. Ein Radius verteilt die Last und verlängert so die Lebensdauer des Bauteils. Diese Regel gilt sowohl für die Abwicklung als auch für das fertige Bauteil.
- Nur zur Information: Es ist wichtig, die Biegerichtung relativ zur Materialfaserrichtung anzugeben, insbesondere bei Aluminium. Bleche haben eine Faserrichtung, die vom Walzwerk vorgegeben ist. Biegen quer zur Faserrichtung erhöht die Festigkeit. Biegen mit der Faserrichtung kann zu Rissen an der Außenseite der Biegung führen. Erfahrene Konstrukteure weisen in der Zeichnung darauf hin. Unerfahrene Konstrukteure werden dies wahrscheinlich erst nach dem ersten Ausschuss der Teile feststellen.
Hybridbaugruppen (bearbeitet + geformt)
Es ist unmöglich, einen kompletten Roboter mit nur einem Fertigungsverfahren herzustellen. Der Prozess ist äußerst komplex, aber unser genereller Ansatz besteht darin, CNC-Bearbeitung für Teile einzusetzen, bei denen Präzision und Festigkeit entscheidend sind, und Blechbearbeitung für Teile, bei denen Gewicht und Kosten wichtiger sind. Anschließend montieren wir diese Teile.
Beinkonstruktionsmuster
Betrachten wir ein Roboterbein, von der Hüfte bis zum Fuß. Es besitzt drei Gelenke: Hüfte, Knie und Sprunggelenk. Jedes Gelenk benötigt ein gefrästes Gehäuse. Die Lagerbohrungen müssen konzentrisch sein. Die Auflageflächen müssen parallel verlaufen. Die Dichtungsnuten müssen sauber sein. Dies ist das Gebiet der CNC-Bearbeitung.
Betrachten wir nun die Verbindungen zwischen diesen Gelenken. Oberschenkel. Wade. Es handelt sich um lange, tragende Körperteile. Sie müssen über ihre gesamte Länge steif sein. Allerdings benötigen sie nicht die Dichte eines massiven Aluminiumblocks. Blechprofile sind hierfür ideal. Ein U-Profil oder ein geschlossenes Kastenprofil bietet Biegesteifigkeit bei einem Bruchteil des Gewichts.
Der Monteur verschraubt oder vernietet das bearbeitete Gehäuse mit dem Blechprofil. Das Gehäuse hält dann die Präzisionsverbindung. Das Profil hält die beiden Gehäuse in einem festen Abstand auseinander. Jedes Teil erfüllt seine Funktion. Zusammen bilden sie eine Einheit.
Rumpfkonstruktionsmuster
Der Torso ist nach einem ähnlichen Prinzip gestaltet, jedoch mit anderen Proportionen.
Eine zentrale, aus einem einzigen Metallstück gefräste Trägerplatte verläuft mittig und bildet das starre Rückgrat. Aktuatoren werden direkt darauf montiert, Computer und Batterien werden an ihren Oberflächen verschraubt. Die Trägerplatte muss plan, stabil und präzise gebohrt sein. Die CNC-Bearbeitung einer dicken Aluminiumplatte ist dafür die optimale Methode.
Um diesen kompakten Kern sind Seiten-, Vorder- und Rückwände aus Blech angebracht. Diese erfüllen zwei Zwecke: Erstens umschließen sie die internen Komponenten. Es liegen keine Kabel frei. Zweitens verhindern sie, dass man mit den Fingern in bewegliche Teile gerät. Drittens erhöhen sie die Torsionssteifigkeit. Ein geschlossenes Blechgehäuse widersteht Verdrehungen deutlich besser als eine einzelne flache Platte.
Diese Kombination ist effizient. Ein gefräster Kern kann konzentrierte Lasten aufnehmen und präzise Schnittstellen realisieren. Eine Blechhülle eignet sich für große Flächen und erfüllt die Anforderungen an ein geschlossenes Gehäuse. Zusammen sind sie leichter und kostengünstiger als ein vollständig gefräster Torso.
Handkonstruktionsmuster
Obwohl die Hände klein sind, bleibt das Muster gleichbleibend.
Die präzisen Merkmale werden durch CNC-gefräste, aus Metall gefertigte Fingerknochen gewährleistet. Sie verfügen über Stiftlöcher für die Gelenke, Kabelführungen für die Sehnen und ebene Flächen für die Befestigung von Verbindungsgliedern. Obwohl jeder Knochen klein ist, sind die Toleranzen gering. Die Serienfertigung ist mit einer Langdrehmaschine oder einer Mikrofräsmaschine möglich.
Die Handfläche kann aus Blechplatten bestehen. Dünnes Material. Gebogene Flansche. Diese formen die geschwungene Gestalt der Handfläche. Sie dienen außerdem als Befestigungspunkte für die Fingerknochen.
Kleine Nieten oder Schrauben halten die Konstruktion zusammen. Die präzisionsgefertigten Fingerknochen drehen sich auf Präzisionsstiften. Die Handfläche aus Blech dient als Stütze. Das Ergebnis ist eine Hand, die sich geschmeidig bewegen lässt, wenig wiegt und deutlich günstiger ist als eine vollständig gefräste Alternative.
CNC Dienstleister vs. Blechbearbeitung
Man fragt sich, welche Methode besser ist. Das ist die falsche Frage. Jedes Verfahren löst ein anderes Problem. Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede.
| Aspekt | CNC Dienstleister | Blechherstellung |
| Am besten geeignet, | Lagerbohrungen, präzisionsgefertigte Gewindebohrungen, komplexe 3D-Geometrie. | Flache oder gebogene Platten, einfache Halterungen, Gehäuse und strukturelle Verkleidungen. |
| Typisches Volumen | Geringe Stückzahl. 1 bis 100 Einheiten. | Niedriges bis mittleres Volumen. 10 bis 500 Einheiten. |
| Werkzeugkosten | Keine. Keine Formen oder Matrizen. | Niedrige Kosten. Einfache Werkzeuge für Abkantpressen. Laserschneiden benötigt keine aufwendigen Werkzeuge. |
| Kosten pro Teil | Hoch. Der Materialverlust ist erheblich. | Niedrig bei Chargen ab 10 Einheiten. |
| Lieferzeit (Prototypen) | 1 um 2 Wochen. | 3 bis 7 Tage. |
| Festigkeit/Gewicht | Gut, aber dicht. | Ausgezeichnet. Das dünne Material trägt die Last effizient. |
| Geometrische Komplexität | Sehr hoch. Hinterschneidungen, tiefe Taschen, komplexe Winkel. | Niedrig. Beschränkt auf biegsame Formen. |
Wann Sie sich für CNC-Bearbeitung entscheiden sollten
Wählen Sie CNC-Bearbeitung für Teile mit Lagerbohrungen. Diese Bohrungen müssen perfekt rund sein und innerhalb weniger Mikrometer der erforderlichen Größe liegen. Wählen Sie sie auch für präzise Gewindebohrungen, die exakt mit den Gegenstücken fluchten. Entscheiden Sie sich für komplexe dreidimensionale Geometrien, die sich nicht durch ein flaches Blech abbilden lassen. Beispiele hierfür sind Gelenkgehäuse, Sensorhalterungen mit komplexen Winkeln oder kundenspezifische Zahnradrohlinge.
Die Vorlaufkosten sind gering. Es müssen keine Werkzeuge angeschafft werden. Die Kosten pro Teil sind jedoch hoch. Ein bearbeitetes Teil beginnt sein Leben als massiver Block. Der größte Teil dieses Blocks zerfällt in der Fabrik zu Spänen. Bei Produktionsserien zwischen einem und einhundert Teilen ist dieser Kompromiss sinnvoll. Bei größeren Stückzahlen suchen wir jedoch nach anderen Methoden.
Wann Sie sich für die Blechbearbeitung entscheiden sollten
Wählen Sie CNC-Bearbeitung für Roboterbauteile mit Lagerbohrungen. Diese Bohrungen müssen perfekt rund sein und innerhalb weniger Mikrometer der erforderlichen Größe liegen. Wählen Sie sie auch für präzise Gewindebohrungen, die exakt mit den Gegenstücken fluchten. Entscheiden Sie sich für komplexe dreidimensionale Geometrien, die sich nicht durch ein flaches Blech abbilden lassen. Beispiele hierfür sind Gelenkgehäuse, Sensorhalterungen mit komplexen Winkeln oder kundenspezifische Zahnradrohlinge.
Die Vorlaufkosten sind gering. Es müssen keine Werkzeuge angeschafft werden. Die Kosten pro Teil sind jedoch hoch. Ein bearbeitetes Teil beginnt sein Leben als massiver Block. Der größte Teil dieses Blocks zerfällt in der Fabrik zu Spänen. Bei Produktionsserien zwischen einem und einhundert Teilen ist dieser Kompromiss sinnvoll. Bei größeren Stückzahlen suchen Unternehmen jedoch nach anderen Methoden.
Überlegungen zu Kosten und Vorlaufzeit
Die Lieferzeit für CNC-gefertigte Prototypen beträgt 1–2 Wochen. Der Engpass liegt in der Programmierung und Einrichtung. Sobald die Maschine läuft, produziert sie Teile schnell. Allerdings benötigt jedes Teil eine erhebliche Bearbeitungszeit. Dies spiegelt sich in den hohen Stückkosten wider.
Die Blechbearbeitung ist schneller. Vom Zeichnen bis zum fertigen Teil dauert der Prozess drei bis sieben Tage. Laserschneiden und Biegen erfolgen schnell. Bei Bestellungen ab zehn Stück sinken die Stückkosten deutlich. Die Fertigung des ersten Teils dauert genauso lange wie die des zehnten.
Der Hybridansatz ist die kostengünstigste Lösung für Komplettroboter. Die Präzisionsgelenke werden maschinell gefertigt, die Strukturverbindungen geformt und anschließend verschraubt. Die Gesamtkosten sind niedriger als bei einem vollständig maschinell gefertigten Roboter. Auch das Gesamtgewicht ist geringer als bei einem rein aus Blech gefertigten Roboter. Wer beide Prozesse beherrscht, kann bessere Maschinen schneller bauen.
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Wer wir sind
NOBLE ist ein Unternehmen für präzise CNC-Bearbeitung. Wir verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Herstellung von Robotern, Automatisierungstechnik und Medizintechnik.
Wir schließen die Lücke zwischen Prototypenentwicklung und Serienfertigung. Viele Unternehmen spezialisieren sich entweder auf Einzelprojekte oder auf die Massenproduktion. Wir decken beides ab. Wir fertigen Einzelstücke für Testzwecke. Darüber hinaus übernehmen wir auch die Serienproduktion von 1 bis über 1,000 Einheiten. Für beides verwenden wir dieselben Maschinen. Dieselben Qualitätsstandards. Wir legen denselben Wert auf jedes Detail.
Kernbearbeitungsfähigkeiten
CNC Fräsen
Wir bieten drei-, vier- und 5-Achs-CNC-FräsenWir halten Toleranzen von ±0.005 mm (±0.0002 Zoll) für kritische Merkmale ein. Unsere Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ermöglicht die Bearbeitung von Aluminium und dünnwandigen Bauteilen ohne Rattern oder Verzug.
CNC-Drehen
Wir verfügen über angetriebene Drehmaschinen mit Y-Achsen-Funktion. Langdrehautomaten werden für kleine, komplexe Teile eingesetzt. Sie dienen beispielsweise zur Herstellung von Fingerknochen, Mikrowellen und Sensorkomponenten. Die Langdrehmaschine verarbeitet Stangenmaterial und fertigt die Teile in einem Arbeitsgang.
Unterstützende Prozesse
Sowohl Flächen- als auch Rundschleifen erzeugen Oberflächen in Wälzlagerqualität. Wir erreichen einen Ra-Wert von 0.4 Mikrometern oder besser auf geschliffenen Oberflächen.
Die Wärmebehandlung erfolgt entweder intern oder durch qualifizierte Partner. Wir bieten Glühen, Härten und Spannungsarmglühen an. NOBLE übernimmt sowohl den Prozess als auch die Dokumentation.
Die Nachbearbeitung umfasst das Entgraten, Anodisieren (klar und Typ III Harteloxieren), Passivieren von Edelstahl und das Gleitschleifen, um eine gleichmäßige Oberflächenstruktur zu erzielen.
Zertifizierungen
ISO 9001:2015
NOBLE ist nach ISO 9001:2015 zertifiziert. Dies gewährleistet, dass alle Prozesse – von der Fertigung und Prüfung bis zum Versand – gemäß den geltenden Standards ablaufen. Die Zertifizierung garantiert die gleichbleibende Qualität, Rückverfolgbarkeit und kontinuierliche Verbesserung unserer Teile. Unsere Kunden können sich somit darauf verlassen, stets Teile zu erhalten, die den Spezifikationen entsprechen.
ISO 13485:2016
Zusätzlich zur ISO 9001-Zertifizierung haben wir eine Zertifizierung für das Management der Medizinprodukteherstellung erhalten. Dies ist insbesondere im Bereich robotergestützter chirurgischer Instrumente, medizinischer Exoskelette und Rehabilitationsroboter relevant. Die Norm erfordert eine strengere Dokumentation, ein formaleres Risikomanagement und eine gründlichere Prozessvalidierung als die ISO 9001 allein. Wir erfüllen alle diese Anforderungen.
FAQ
Welche Arten von Roboterkomponenten eignen sich am besten für die CNC-Bearbeitung anstatt für 3D-Druck oder Blechbearbeitung?
Gelenkgehäuse. Drehwellen. Alle Bauteile, die Lagerbohrungen oder enge Toleranzen im Bereich von ±0.005 mm erfordern. Diese Bauteile tragen Lasten und positionieren bewegliche Komponenten. 3D-Druck eignet sich für komplexe, gering belastete Halterungen, bei denen die Festigkeit zweitrangig ist. Blechbearbeitung eignet sich für Gehäuse und Strukturverbindungen mit einfacher Geometrie.
Welche Materialien werden für Roboterstrukturbauteile empfohlen?
Aluminium 6061-T6 ist der Standardwerkstoff. Es bietet eine gute Festigkeit, ist leicht zu bearbeiten und kostengünstig. Für höhere Festigkeiten empfiehlt sich 7075-T6. Es lässt sich gut bearbeiten, ist aber teurer. Für Gelenkgehäuse, die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit erfordern, ist Edelstahl 17-4PH weit verbreitet. Er lässt sich durch Wärmebehandlung hochfest machen und ist beständig gegen Fressen. Für leichte, nichtmetallische Bauteile eignen sich PEEK und Delrin (Acetal) gut. Sie sind steif, formstabil und gut bearbeitbar. Korrosionsprobleme bestehen nicht.
Wie entscheiden Anwender, ob sie ein bestimmtes Bauteil per CNC-Bearbeitung oder Blechbearbeitung herstellen.
Eine einfache Regel gilt für die meisten Fälle: Bei Bauteilen mit Lagerbohrungen, komplexer dreidimensionaler Geometrie oder engen Toleranzen empfiehlt sich die spanende Bearbeitung. Bei flachen oder gebogenen Platten mit Befestigungslöchern ohne Präzisionsschnittstellen ist Blechbearbeitung die beste Wahl. Besitzt ein Bauteil beide Arten von Merkmalen, wird es häufig als Baugruppe konstruiert: Der Präzisionskern wird präzise bearbeitet, die Blechhülle geformt und die Teile anschließend verschraubt.
Welche Konstruktionsmerkmale erhöhen die Kosten eines bearbeiteten Teils?
Tiefe, schmale Taschen stellen ein Problem dar. Überschreitet die Taschentiefe das Vierfache des Werkzeugdurchmessers, wird der Spanabtransport erschwert. Werkzeugbruch ist wahrscheinlich. Die Zykluszeit verlängert sich drastisch.
Scharfe Innenecken stellen ein weiteres Problem dar. Eine rechtwinklige Innenecke erfordert ein Spezialwerkzeug oder einen Nachbearbeitungsschritt. Eine abgerundete Ecke kann mit einem Standard-Schaftfräser bearbeitet werden. Wo immer möglich, sollten Abrundungen angebracht werden.
Unnötig enge Toleranzen bei jedem Merkmal treiben die Kosten in die Höhe, ohne Mehrwert zu schaffen. Eine Lagerbohrung benötigt berechtigterweise eine Toleranz von ±0.005 mm. Ein Außenprofil hingegen nicht. Enge Toleranzen sollten nur dort festgelegt werden, wo sie funktionell erforderlich sind.
Können aus NOBLE-Materialien Teile für medizinische Roboter oder chirurgische Geräte hergestellt werden?
Ja. NOBLE ist nach ISO 13485:2016 zertifiziert. Dies ist der Qualitätsmanagementstandard für Medizinprodukte. Er belegt unsere Kompetenz in der Fertigung von Komponenten für medizinische Anwendungen. Für diese Aufträge gewährleisten wir die vollständige Rückverfolgbarkeit: Materialzertifizierungen, Prüfprotokolle und Prozessdokumentation. Unsere Kunden erhalten ein komplettes Paket, das für die Einreichung bei den Aufsichtsbehörden geeignet ist.
Wie läuft der Qualitätsprüfungsprozess ab?
Die prozessbegleitende Prüfung erfolgt während der Bearbeitung. Die Bediener überprüfen in festgelegten Abständen kritische Merkmale und dokumentieren die Ergebnisse in der Fertigungsdokumentation.
Die Endkontrolle erfolgt mit kalibrierten Geräten. Koordinatenmessgeräte (KMG) gewährleisten die Maßgenauigkeit. Bohrungslehren messen Innendurchmesser. Gewindelehren prüfen Gewinde. Optische Komparatoren erfassen komplexe Profile und kleine Merkmale.
