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Das Holz, aus dem die Roboter sind

Diese Roboter sind aus einem besonderen Holz geschnitzt: Im Leichtbau-Forschungsprojekt „InRoHo“ entstehen Roboterstrukturen aus Holzwerkstoffen. Sie können Ressourcen sparen, CO₂-Emissionen senken und flexible, leistungsfähige Robotersysteme ermöglichen.

Wie sieht er aus, so ein Industrieroboter? Klar, komplex, futuristisch, jede Menge Kabel und Knöpfe und auf jeden Fall ist er aus Metall. Oder doch nicht? Industrieroboter werden bisher überwiegend aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Doch das Leichtbau-Forschungsprojekt „InRoHo“ zeigt, dass es auch leichter, umweltfreundlicher und genauso leistungsfähig geht, mit Industrierobotern in Leichtbauweise.

Eingesetzt werden Industrieroboter heute für die Fertigungsautomatisierung oder das Handling von Werkstücken in vielen Branchen, zum Beispiel in der Automobilindustrie und im Maschinenbau. Die tragenden Strukturen dieser Knick- und Gelenkarmroboter bestehen heute meist aus Aluminium- oder Stahlgussteilen. Das sorgt zwar für hohe Steifigkeit, Präzision und Tragfähigkeit, gleichzeitig sind solche Teile aber meist nur mit großem Energieaufwand und damit hohen CO₂-Emissionen herzustellen. Auch sind die aus diesen Werkstoffen hergestellten Robotersysteme vergleichsweise schwer.

^{Deutliche Einsparpotenziale gegenüber metallischen Roboterstrukturen}

Auch wirtschaftlich lohnt sich die bisherige Bauweise erst bei großen Stückzahlen mit standardisierten Geometrien. Gleichzeitig wächst jedoch der Bedarf an Robotern, deren Abmessungen und Reichweiten an konkrete Anwendungen angepasst werden können. Starre Baukastensysteme und lange Entwicklungszeiten erschweren diese Individualisierung bislang.

Holzwerkstoffe können hier eine Alternative sein. Als nachwachsender Rohstoff kann Holz CO₂ speichern, weist ein hohes Leichtbaupotenzial auf und lässt sich mit plattenbasierten Konstruktionsansätzen und computergestützter Fertigung flexibel bearbeiten. Im Robotik- und Maschinenbau wird Holz bislang jedoch kaum als tragender Werkstoff eingesetzt.

^{Holz als innovativer Leichtbau-Werkstoff im Hightech-Bereich Robotik}

Ziel des Forschungsvorhabens InRoHo ist es deshalb, Industrieroboter in Holzbauweise zu entwickeln, die eine vergleichbare Leistungsfähigkeit, Präzision und Lebensdauer wie konventionelle Metallroboter aufweisen, dabei jedoch deutlich leichter sind und eine bessere Klimabilanz haben. Ein weiterer Fokus liegt auf der wirtschaftlichen Fertigung - auch für kleine Serien. Das Projektteam entwickelt deshalb eine modulare Holzleichtbauweise, bei der sich Traglast, Reichweite und Geometrie flexibel an unterschiedliche Einsatzfälle anpassen lassen. Projektpartner sind die ligenium GmbH (Koordinierende Stelle), das Institut für Fördertechnik und Kunststoffe der TU Chemnitz und die Siemens AG.

Durch den Ersatz von metallischen Strukturbauteilen mit dem nachwachsenden Rohstoff Holz sollen Treibhausgasemissionen in Produktion und Betrieb reduziert werden. Langfristig können so neue Konstruktionsprinzipien für einen klimafreundlichen Maschinen- und Anlagenbau aufgezeigt werden, die sich auf weitere Maschinen- und Anlagenkomponenten übertragen lassen.

^{Neues Konstruktionskonzept für Roboterstrukturen aus Holz}

Zunächst werden dafür tragende Roboterbauteile aus Holz- und Holzverbundwerkstoffen so ausgelegt, dass sie den Kräften und Bewegungen eines Industrieroboters standhalten. Wo es sinnvoll ist, kombinieren die Forschenden Holz mit anderen Materialien (Hybridbauweise), um Steifigkeit, Schwingungsdämpfung und Präzision zu verbessern. Begleitend dazu werden Simulationsmodelle gebaut und geprüft, mit denen sich das mechanische Verhalten, das Schwingungsverhalten und die Lebensdauer der Holzstrukturen realistisch vorhersagen lassen. So können Konstruktionen gezielt bewertet werden, bevor aufwendige Versuche erfolgen. Außerdem erstellt das Team Ökobilanzen und vergleicht die Umweltwirkung der Holzbauweise mit konventionellen Metallrobotern.

Damit sich die Roboterglieder für unterschiedliche Reichweiten, Geometrien und Anwendungen konfigurieren lassen, werden im Projekt anpassbare Baukastenkonzepte entwickelt und an Demonstratoren mit Blick auf die industrielle Umsetzbarkeit überprüft. Das Projektteam bringt dafür Kompetenzen aus Leichtbau, Holztechnik, Robotik und Simulation zusammen.

Noch bis Ende September läuft das mit 838.000 Euro im Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB) geförderte Projekt. Es zeigt eindrucksvoll, dass Klimaschutz und industrielle Leistungsfähigkeit kein Widerspruch sind.