„Tanzende“ Roboter prüfen Werkstoffe vollautomatisiert
Nahezu tänzerisch bewegen sich die je vier Tonnen schweren Roboter durch den Raum. Luftkissen machen es möglich. Auf diese Weise prüfen sie Bauteile jeglicher Größe und Form – vollautomatisiert und ohne Schäden am Bauteil. Ein Durchbruch für die Produktion von Verbundwerkstoffen und Qualitätssicherung.
Auf der linken Seite steht JAMES und rastert die Glasfaserplatte ab. MAID (rechts) empfängt die Daten und wertet sie aus.
Foto: Max Kovalenko
Es gibt Verbundwerkstoffe, die nach der Herstellung und sogar im weiteren Betrieb regelmäßig auf Schäden geprüft werden müssen. Dazu zählen zum Beispiel Flugzeugtragflächen, Rotorblätter von Windenergieanlagen, Karosserieteile von Fahrzeugen. „Bisher müssen bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall speziell ausgebildete Mitarbeitende das Prüfteil von Hand abscannen“, erläutert Timo Reindl, Projektkoordinator der neuen Roboteranlage an der Universität Stuttgart. Das stellt die Mitarbeitenden zunehmend vor Probleme: Die Bauteile werden nicht nur immer größer, sondern auch komplexer in ihren Formen.
Roboter-Hund lernt laufen – In nur einer Stunde
Das macht eine Prüfung von Hand einerseits sehr aufwendig, andererseits steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler passieren. Das kann gravierende Folgen haben, vor allem dann, wenn es sich bei den Bauteilen um solche aus dem Flugzeug- oder Fahrzeugbau handelt. Hinzu kommt: Auch die Flexibilität innerhalb einer Produktion spielt eine immer größere Rolle. Das bedeutet: Jedes Werkstück ist ein individuelles Teil und damit geht es unter Umständen ganz eigene Wege innerhalb der Produktionsanlage. Für die Abschlussprüfung und die Qualitätssicherung ist es deshalb entscheidend, dass sie unabhängig von räumlichen Gegebenheiten jederzeit möglich ist. Und genau dort setzen die beiden Roboter-Butler „JAMES“ und „MAID“ an.
Roboter erkennen Schäden selbstständig und machen sie sichtbar
„JAMES“ steht für „Joines Automatic Material Evaluation System“ und „MAID“ für „Mobile Automatic Inspection Device“. Sie sind beide Teil einer flexiblen und dualen Roboteranlage. Sie entstand im Rahmen einer Großgeräteförderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) am Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart unter der Leitung von Marc Kreutzbruck, Leiter des IKT. Die Roboteranlage soll die Arbeit deutlich erleichtern, und zugleich Verbundwerkstoffe aller Größen und Formen vollautomatisiert prüfen, ohne dabei Schäden zu verursachen. Dafür arbeiten JAMES und MAID praktisch Hand in Hand.
JAMES greift sich zuerst einen Werkzeugkopf und platziert diesen dann vor einer Glasfaserplatte. In der Platte ist deutlich ein kleiner Schaden sichtbar. Nur wenige Sekunden danach startet MAID am anderen Ende des Raumes und positioniert ein entsprechendes Tool auf der anderen Seite der Glasplatte. Beide Roboter stehen sich jetzt praktisch gegenüber. Genau das ist auch die Voraussetzung dafür, dass sie im Anschluss die Platte gemeinsam Punkt für Punkt nach Unregelmäßigkeiten „abtasten“. Dafür nutzen sie den Luftultraschall. Auf einem Bildschirm, der neben dem Prüfstand angebracht ist, erscheint nun ein Fleck, der den Schaden darstellt. Und das Bild zeigt: Das Ausmaß des Schadens ist deutlich größer und dabei auch noch viel tiefer in der Struktur der Glasfaserplatte, als man von außen sehen konnte.
Roboter identifizieren auch Materialeigenschaften und können Prüfung bewerten
Die beiden Roboter wiegen jeweils rund vier Tonnen. Damit sie sich im Raum nahezu schwerelos und frei bewegen können, sind sie auf Luftkissen platziert. Über ein Lasertrackingsystem lässt sich immer ganz genau feststellen, wo die beiden Roboter sich im Moment befinden. Warum zwei Roboter für diese Aufgabe notwendig sind, erklärt sich durch ihre jeweiligen Funktionen: JAMES übermittelt die Prüfsignale, MAID ist der Empfänger, oder vielmehr die Empfängerin, und wertet die Signale dank hochsensibler Messtechnik aus.
Die Roboter können nicht nur Fehler lokalisieren, sondern darüber hinaus deren Größe und Struktur erkennen. Sie sind sogar in der Lage, Materialien festzustellen und anhand deren Eigenschaften die Zuverlässigkeit der Prüfaussage zu bewerten. Das bedeutet: JAMES und MAID können bei der Qualitätssicherung helfen, indem sie mitentscheiden, ob ein Bauteil für den Betrieb geeignet ist und sie treffen sogar eine Vorhersage über die Lebensdauer.
Vollautomatisiert: Roboter arbeiten selbstständig
Ziel ist es, dass die beiden Roboter vollautomatisiert die Bauteile prüfen und ihre Bahn dafür eigenständig finden. Damit das gelingt, verfolgen die Forschenden der Universität Stuttgart zwei mögliche Wege: Man könne sie manuell einlernen, also halbautomatisch oder vollautomatisch mithilfe einer Bahnplanung, die aus sogenannten CAD-Daten am Computer erstellt würden. Den Forschenden schwebt ein intelligentes Robotersystem vor. JAMES und MAID sollen die Geometrie der Bauteile anhand optischer Scanner eigenständig erkennen, danach vollautomatisch ein Scanmuster erstellen und auf Basis dessen das richtige Werkzeug auswählen. Ein solches System ermögliche einerseits eine automatisierte Prüfung von Bauteilen ohne Schäden und liefere andererseits auch wichtige Erkenntnisse, um den Prüfprozess selbst stetig zu verbessern.
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