Von Gitarren zu Schüsseln: Automatisierung und End-of-Arm-Tooling (EOAT) bei Pacific Rim Tonewoods

Mitten in der Gebirgskette North Cascades im Westen der USA sind in einem Sägewerk Roboter am Werk. Pacific Rim Tonewoods (PRT) beliefert große Gitarrenhersteller wie Martin, Taylor, Gibson und Fender sowie kleine Gitarren- und Geigenbauer mit hochwertigem Holz, das aus sorgfältig ausgewählten Baumarten gefräst und geformt wird.

Vor etwa einem Jahrzehnt überarbeitete PRT seine Betriebsabläufe und konzentrierte sich dabei auf die Minimierung des Abfalls und die Optimierung der Fräsprozesse. Die Neuerungen steigerten den Umsatz des Teams um über 12 %. Nach diesen Prozessverbesserungen setzte PRT auf Automatisierung, um anderswo im Unternehmen neue Möglichkeiten zu öffnen.

Wir haben mit dem Ingenieur Jake Wells darüber gesprochen, wie der SLS-3D-Druck (selektives Lasersintern) mit der Fuse-Serie von Formlabs die Robotersysteme von PRT kostengünstiger, effizienter und langlebiger gemacht hat. SLS-3D-gedrucktes End-of-Arm-Tooling (EOAT) und 3D-gedruckte Fertigungshilfsmittel haben die Durchlaufzeit verkürzt und die automatisierten Arbeitsabläufe optimiert und unterstützen damit die Integration von Robotikanwendungen in den Betrieb.

Robotikanwendungen und Automatisierung sind die Grundpfeiler der langerwarteten digitalen Fertigung, und in vielen Branchen haben sie ihr Versprechen eingelöst, Prozesse zu rationalisieren. Die erfolgreichsten Unternehmen, wie PRT, ersetzen durch Automatisierung die „schmutzigen, langweiligen und gefährlichen“ Aufgaben – also jene Schritte, die zu langwierig, schwierig oder risikoreich sind, um sie von Hand einheitlich auszuführen.

Doch als PRT mit der Einführung seiner ersten Roboter startete, ließ die Integration zu wünschen übrig – also die Hardware- und Software-Komponenten, die einen Roboter für eine bestimmte Anwendung programmieren und ausstatten. Ihr erster Roboter war ein 60 000 Dollar teurer KUKA KR-6, der spezielle, hochwertige Holzstücke palettieren sollte. Das System verschaffte dem Team viel Zeit für höherwertige, komplexere Aufgaben, aber die Zusammenarbeit mit dem externen Integrator führte zu einer Diskrepanz zwischen dem Roboter und der Aufgabe, und Wells wusste, dass es einen effizienteren Prozess geben musste.

„Das Hauptproblem, das wir hatten, war die grobe Integration. Die externen Integratoren waren nicht an den Umgang mit Holz gewöhnt und wählten einen Roboter, der größer war, als wir benötigten. Als wir uns entschlossen, diese Entscheidungen intern zu treffen, bewerteten wir das System neu, und es wurde deutlich, dass es einen besseren, effizienteren Ansatz gibt. Unser Ansatz war, einen Roboter ganzheitlich auf sein Werkzeug abzustimmen“, erläutert Wells.

Wells druckte zunächst Endeffektoren auf einem FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling), den er zu Hause hatte. Der Wert des 3D-Drucks wurde sofort deutlich – das Team konnte mehrmals pro Woche Teile entwerfen, anpassen, testen und iterieren, um das beste Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Gewicht zu finden. „Eine Zeit lang war ich der einzige Ingenieur, und es machte viel mehr Sinn, einfach etwas zu drucken, es an den Roboter anzubringen und zu sehen, wie es funktionierte, als die Zeit zur Entwicklung eines Teils für die Zerspanung aufzuwenden“, meint Wells.

PRT verfügt über eine betriebsinterne Werkstatt mit einer leistungsstarken 4-Achsen-CNC-Maschine, die mit den komplexen Bauteilen für individuelles End-of-Arm-Tooling fertig wird. Eine Voraussetzung für die maschinelle Bearbeitung ist jedoch, dass das Design vollständig abgeschlossen ist – andernfalls verschwendet man Material und die kostbare Zeit von Fachkräften.

Die FDM-3D-Druckteile eigneten sich zwar für Passproben und in einigen Fällen sogar für die Endverwendung, aber sie waren unzuverlässig und konnten zu leicht brechen, wenn entlang der Schichtlinien Kraft ausgeübt wurde. „Es war schwierig, die Qualität der FDM-Druckteile zu beurteilen, bevor sie im Einsatz waren. Teile, die toll aussahen, konnten nach 20 000 Zyklen ohne ersichtlichen Grund ausfallen, andere konnten 120 000 Zyklen überstehen, bevor sie versagten, und selbst dann hätte es einfach an einem Zusammenstoß liegen können“, berichtet Wells.

Das Team begann, einen Dienstleister mit dem 3D-Druck von Teilen zu beauftragen und war von der Festigkeit, der Leichtigkeit und der Haltbarkeit der mit MJF-3D-Druck gefertigten PA-12-Teile begeistert. Die Auslagerung nahm jedoch zu viel Zeit in Anspruch. Als das Unternehmen neue Projekte in Angriff nehmen wollte, konnte es nicht wochenlang warten, bis ein Teil für Tests bereitstand.

PRT benötigte eine betriebsinterne Lösung, die EOAT-Bauteile in Endproduktqualität für hunderttausende von Fertigungszyklen liefern konnte. Die per Outsourcing mit MJF-Druckern gefertigten Nylonteile hatten sie überzeugt, und nun benötigten sie für ihre Endeffektoren das richtige Fertigungsvolumen. Der Fuse 1 erfüllte ihre Anforderungen in jeder Hinsicht. „Wir brauchten immer mehr Teile, deren Komplexität für die Zerspanung eine große Hürde darstellen würde und für die Materialien wie Aluminium übertrieben wären. Uns fehlte eine Lösung zur Herstellung komplexer, aber haltbarer Teile, und wir brauchten sie betriebsintern“, sagt Wells.

Die Fuse-Serie und Nylon 12 Powder bieten die Möglichkeit, aus einem vertrauten, industrietauglichen Material hochwertige Teile für die Endverwendung zu erstellen. Dank des selbststützenden Druckverfahrens der SLS-Technologie lassen sich die generativ entworfenen Endeffektoren mit ihren organischen Krümmungen und Hohlräumen 3D-drucken, ohne dass ein zusätzlicher Zeitaufwand für die Nachbearbeitung und das Entfernen von Stützstrukturen anfällt.

Obwohl meist die Endeffektoren im Fokus liegen – und das vielleicht zu Recht –, beinhalten automatisierte Robotersysteme eine Reihe anderer Teile, bei denen 3D-Druck von Nutzen sein kann. In jedem Roboter versorgen Dutzende von komplizierten Kabeln die verschiedenen Bauteile mit Strom und Signalen. Im täglichen Betrieb können diese Kabel eingeklemmt werden, reißen, ausfransen oder einfach im Weg sein, und bei der Wartung kann ein falsch verlegtes Kabel in den empfindlichen Drähten und Verbindern erheblichen Schaden verursachen. Wells begann, individuell entworfene Klemmen zu drucken, um die Kabel an der Maschine zu befestigen und zu gruppieren, wodurch das gesamte System effizienter und weniger schadenanfällig wurde.

Die individualisierten Klammern können so gestaltet werden, dass Sägespäne leicht hindurchfallen, anstatt sich darin anzusammeln. Sie fixieren die Kabel in bestimmten Positionen, damit sie leichter gewartet oder ersetzt werden können, und sorgen für mehr Ordnung und Effizienz in der Robotikanwendung insgesamt. Dank der Fuse-Serie konnte dieses kleine, einfache Teil mit ungeahnt großer Wirkung entworfen und iteriert werden, und das ohne stundenlange Konstruktionsarbeit für die CNC-Bearbeitung oder wochenlange Durchlaufzeiten.

Durch den 3D-Druck von individualisierten Bauteilen wurde der Betrieb auch sicherer. In jedem Robotersystem überwachen mehrere Sicherheitssensoren die Arbeitsschritte und erschaffen eine Feedbackschleife für das Sicherheitssystem. Diese Sensoren erhöhen die Sicherheit und benachrichtigen die Mitarbeitenden über Probleme oder potenzielle Risiken. Die Sensoren werden zwar in Massenproduktion hergestellt, werden aber in einzigartigen Umgebungen verwendet, sodass jeder Integrator auf individuelle Weise befestigt werden muss, um zu funktionieren.

„Unser gesamter Roboter wird in CAD entworfen und in einer Simulations-Software getestet. Wir können die Sensoren im Modell platzieren, den optimalen Winkel und die optimale Position ermitteln und dann die perfekte Halterung drucken, damit jeder Sensor genau dort sitzt, wo er sein soll. Das ist besonders wichtig für Sicherheitssensoren, denn hier kann ein falsch platzierter Sensor schnell zum Sicherheitsrisiko werden“, so Wells.

Die Halterungen dienen noch einem weiteren Zweck: der Zukunftssicherheit des Systems. Die digitale Integration der Sensor-Halterungen in das CAD-Layout des gesamten Systems macht es für jedermann einfach, jederzeit Ersatzhalterungen zu drucken. „Jeder kann diesen Sensor ersetzen, und er wird bereits perfekt auf die gewünschte Position ausgerichtet sein. Bei den Sicherheitsradarsystemen haben wir den gleichen Ansatz verfolgt. Nun haben wir keine Sicherheitsprobleme mehr und einfach bessere Ergebnisse“, berichtet Wells.

PRT verfügt über eine voll ausgestattete Werkstatt mit einer 4-Achsen-CNC-Maschine, und Wells selbst ist erfahrener Zerspanungsmechaniker und Konstrukteur für komplexe, zerspante Teile. Die beiden Technologien sind für die Arbeit im Tandem geschaffen, und sowohl die Zerspanung als auch der 3D-Druck bieten jeweils unterschiedliche Vorteile.

Der größte Unterschied ist der Kostenaufwand vorab. Das Design für ein zerspantes Teil zu perfektionieren, um Setup und Materialverbrauch so effizient wie möglich zu gestalten, konnte Wells Tage oder gar Wochen kosten. Beim 3D-Druck, insbesondere mit dem intuitiven Arbeitsablauf der Fuse-Serie, geht alles ein bisschen schneller. „In unserer Werkstatt sind wir stark für die Zerspanung optimiert, aber gleichzeitig erfordert das Design für die CNC-Fertigung eine Menge Vorkenntnisse. Beim 3D-Druck hingegen kann ich vieles in ein paar Stunden entwerfen und sehen, ob es funktioniert – was mit Zerspanung ein paar Wochen beanspruchen könnte“, erklärt Wells. Dank der Benutzerfreundlichkeit der Fuse-Serie konnte das gesamte Team Wells problemlos dabei unterstützen, Teile zu drucken und in Einsatz zu nehmen.

Bei Endeffektoren müssen die Teile stark genug sein, um die Holzstücke aufzunehmen und auf der Palette abzulegen, aber leicht genug, um den Roboterarm nicht zu überlasten. Schlagfestigkeit und Maßgenauigkeit sind ebenfalls von größter Bedeutung. „3D-Druck erlaubt es uns, sperrige Metallbaugruppen zu einem einzigen Teil zu rationalisieren. Das vereinfacht die Montage, sodass die Maschine in Zukunft leicht gewartet werden kann“, sagt Wells.

Die Vorteile des 3D-Drucks von EOAT verfallen jedoch, wenn man die Arbeitsweise einer herkömmlichen Zerspanungswerkstatt beibehält, in der klobige Metallwerkzeuge gefertigt werden. Der Designprozess ist nämlich nicht eins zu eins derselbe, erklärt uns Wells. Um die Vorteile des 3D-Drucks voll auszuschöpfen, müssen Arbeitsabläufe angepasst und neue, kreative Wege beschritten werden.

Der 3D-Druck hat die Integration von Robotikanwendungen bei PRT reibungsloser, einfacher und effizienter gemacht. „Es hat uns bei der Integration der Automatisierung enorm geholfen. Wenn man ein bestimmtes Problem mit der Kabelführung oder eine Schwachstelle an einem Roboter hat, lässt sich das mit 3D-Druck höchstwahrscheinlich lösen“, erklärt Wells.

Die Vorteile des betriebsinternen Designs von Automatisierungs- und Maschinenlösungen haben PRT mehr Möglichkeiten eröffnet. „Als Nächstes haben wir die Fertigung hochwertiger Holzschalen zu erschwinglichen Preisen ins Auge gefasst. Um dies zu erreichen, brauchen wir maßgeschneiderte Lösungen. Da wir den 3D-Druck zur Verfügung haben, können wir unsere Systeme noch mehr für ihren Zweck optimieren“, sagt Wells.

Aufgrund seines Erfolgs mit SLS-3D-Druckteilen zieht Wells EOAT- und Automatisierungsbauteile auch als zusätzliche Einnahmequelle in Betracht. „Es gibt Teile, die wir selbst in der Produktion verwenden und die wir auch an andere in der Automatisierungsbranche verkaufen könnten. Wir haben den Fuse nicht mit der Absicht gekauft, 200 Endeffektoren zu drucken, aber letztendlich ist er ein Werkzeug in unserem Werkzeugkasten. Wenn man Leute hat, die sich mit dem Werkzeug auskennen, kann es sehr lohnenswert sein“, meint Wells.

Um mehr über das Ecosystem der Fuse-Serie zu erfahren, besuchen Sie unsere Produktseiten. Wenn Sie sich selbst von der Festigkeit von Nylon 12 Powder überzeugen möchten, fordern Sie ein kostenloses SLS-3D-gedrucktes Probeteil an.