Philipp Schmid leitet seit gut drei Jahren die Abteilung Robotics & Automation am CSEM. Er gibt die Strategie vor und entwickelt aus Hochtechnologie spannende Projekte mit Industriepartnern. «Kraken» ist ein solches internationales Projekt, in dem ein komplexer Roboter aufgebaut wird. Der Mastermind hinter der hochkomplexen Steuerung des Kraken ist Francesco Crivelli. Neben den fachlichen Kompetenzen mit seinem ETH-Abschluss in Mechatronik sowie Robotik und Automation Engineering bringt er auch die sprachlichen mit: Er spricht neben Italienisch auch Deutsch, Englisch und Französisch. Das hilft, wenn man sich mit Projektpartnern aus acht Nationen verständigen muss.
Doch erst zum Systemaufbau des Kraken. Der steht im spanischen Zaragossa und besteht aus einem Industrieroboter, der über einen Brückenkran verfahren wird. Die acht Beine des Krans und der grosse Aufbau erinnern an einen Kraken, daher der Name. Zum Einsatz kommt ein 6-Achs-Knickarmroboter von Comau, Typ Smart NJ 130-2.6, mit einer Nutzlast von 130 kg und einer Reichweite von 2616 mm. Der Roboter kann unterschiedliche Werkzeuge tragen. Die Palette reicht vom Lichtbogen-Schweisskopf für die additive Fertigung (AM) von Metallteilen im Auftragsschweissverfahren über einen Extruder zum additiven Beschichten mit Kunststoffen bis zu Fräs-, Bohr- und Polierwerkzeugen, für das Post-Processing von additiv gefertigten Teilen. Die Aussenabmessungen des Kraken betragen 24 × 6 × 5 m (L × B × H), der Bauraum misst 20 × 4 × 2 m. Der Roboter am Kran ermöglicht also das Fertigen und Bearbeiten sehr grosser Teile.
Philipp Schmid präzisiert: «Bei metallischen Strukturen und Objekten muss das System einerseits Beschichtungsprozesse ausführen können, andererseits soll es massive Tragstrukturen von grossen Objekten schweissen können, auf denen dann additiv Metall- oder Kunststoffkörper aufgebaut werden. Ermöglicht wird metallische additive Fertigung mittels Metallpulver und Laser. Die Prozesse lassen sich ‹grob› mit höherer Geschwindigkeit oder ‹fein› mit hoher Präzision fahren. Eine präzise Nachbearbeitung durch Fräsen und Polieren erlaubt die Fertigung reiner Metallteile. Im Kunststoffbereich arbeitet Kraken mit einem speziell entwickelten Polymerharz, das zugunsten einer kurzen Bauzeit beim Rapid Prototyping in Schichten bis zu 10 mm aufgetragen wird. Das System wird additiv im Auftragsschweissverfahren 10 kg Metall pro Stunde und mit einem Extruder 180 kg Kunststoffharz pro Stunde verarbeiten.»
Eines von vielen möglichen Anwendungsszenarien: Kraken soll ein absolut genaues Automobilmodell im Massstab 1 zu 1 fertigen, unmittelbar nachdem es am PC bis ins Detail fertig designt ist. Beim Aufbau wird zuerst mit einer Tragstruktur aus verschweissten Metallelementen ein Grundkörper bereitgestellt, dann wird direkt darauf additiv die Kunststoffaussenhülle aufgebracht. Nach feinem Überfräsen dieser Kunststoffhaut wird sie additiv metallisiert. Metalloberfläche und Kunststoff sollen sich verschweissen lassen. Zum Schluss wird mittels andruckkraftgeregeltem Polieren die präzise Oberfläche geschaffen. Dieser Ablauf spart Gewicht, Material und etwa 75 Prozent Bearbeitungskosten gegenüber konventionellen Verfahren.
Hintergrund: Projektpartner sind neben anderen auch das Centro Ricerche Fiat CRF und der Karosserie-Designer Pininfarina. Beide könnten mit einem im Kraken gefertigten Modell sehr schnell das Design optisch in den realen Dimensionen auf seine Ästhetik hin überprüfen und mit dem Modell Windkanaltests absolvieren. Weitere denkbare Anwendungen für Kraken ergeben sich in der Luftfahrtindustrie – Gespräche laufen mit Airbus und Pilatus – und generell bei der Herstellung grossflächiger hybrider Bauteile aus Kunststoff und Metall. Ein Projektpartner will Kunststoffverkleidungselemente für den Tunnelbau produzieren, welche die Verkabelung für die Elektronik der Infrastruktur des Baus integrieren. Auch die Windenergiesparte ist interessiert, denn Form und Oberfläche der riesigen Rotorblätter müssen sehr genau gearbeitet sein, weil die Effizienz der Windanlage direkt davon abhängt. Mit Kraken würden sich die Negativformen präzise und schnell herstellen lassen.
Zum Stichwort Genauigkeit liefert Philipp Schmid die Zahlen, die man im Kraken-Projekt erreichen will: «Das System muss in allen sechs Freiheitsgraden eine Präzision von besser als 0,3 mm beziehungsweise 0,5° erreichen, und dies möglichst schnell. Der Comau-Roboter erreicht eine Verfahrgeschwindigkeit von 2 m/s. Tempo will man auch praktisch nutzen, etwa bei der Nachbearbeitung von additiv gefertigten Kunststoffkörpern mit einem Fräser. Von uns wird erwartet, dass wir bei der geforderten Präzision eine möglichst hohe Geschwindigkeit erreichen. In den ersten 18 Monaten seit dem Projektstart Anfang Oktober 2016 entwickelten wir zuerst die einzelnen Prozessschritte. Dann mussten wir die Steuerung so auslegen, dass aus dem CAD sinnvolle Anweisungen für die Maschine generiert werden. Darauf folgten Simulationen, jetzt arbeiten wir mit dem Roboter. Erst jetzt können wir uns um die Steigerung der Verfahrgeschwindigkeit kümmern.»
Francesco Crivelli steht in Alpnach für die Entwicklung der Steuerung nicht etwa ein zweiter Kraken zur Verfügung, sondern eine kleinere, mit dem Kraken-Roboter baugleiche Version des Comau-Roboters, Typ «Smart NS 12-1.85» mit einer Nutzlast von 12 kg und Maximalreichweite von 1850 mm. Der ist auf einem Schienensystem montiert, das horizontal verfahren werden kann. Damit werden Störungen, etwa Schwingungen wie sie in der Krananlage des Kraken vorkommen, simuliert. Solche Effekte übertragen sich auf Roboter und Werkzeug, was die Präzision der Bearbeitung negativ beeinflusst. Francesco Crivelli dazu: «Wir können alle Freiheitsgrade am Roboter stören. Mit verschiedenen Trajektorien ergeben sich unterschiedliche Störungen. So simulieren wir alle Abweichungen, die real auftreten können und messen laufend die Abweichung am Werkzeug.»
Diese Messung der exakten Position des Werkzeugzentrums (Tool Center Point, TCP) ist laut Philipp Schmid der Clou des Systems und grosser Unterschied zu ähnlichen Systemen: «Sie erfolgt nicht wie üblich über die Encoder der Roboterachsen, sondern laufend über ein hochgenaues externes Lasermesssystem von Leica vom Typ Absolut Laser Tracker AT 960. Es besteht aus einem stationären Messkopf und dem Reflektor an der Roboterhand, und misst permanent mit einer Frequenz von 1 kHz den TCP.» Voraussetzung ist allerdings, dass das Messsystem vorgängig kalibriert wird, was bei jedem neuen Bauteil vollautomatisch geschieht.
Das Hauptarbeitsgerät von Crivelli ist das Bindeglied zwischen Roboter und Messsystem. Der komplett bei CSEM entwickelte Regler, der echtzeitfähig auf Linux läuft, prozessiert 1000 Mal pro Sekunde die Positionswerte des Leica-Systems. Crivelli dazu: «Wir vergleichen die realen Daten mit der Soll-Position, an welcher sich der Endeffektor gemäss CAD-Datensatz eigentlich befinden müsste. Die Differenz kompensieren wir, indem wir Korrekturbefehle an die Robotersteuerung schicken. Um diese Kompensation zu erreichen, optimieren wir laufend alle Algorithmen der Steuerung.» Ein weiterer PC dient als User-Interface.
Laut Crivelli ist die von den CAD-Daten bis auf den μ-Meter vorgegeben Position des Werkzeugs mit einem derartigen Roboter nur durch eine externe Messung zu erreichen: «Tut man das nicht, sprechen wir bei der Absolutpräzision – nicht bei der Wiederholgenauigkeit! – von einer Genauigkeit im Bereich von 3 bis 6 mm. Das Werkzeug ist also immer nur ungefähr dort, wo es sein sollte. Zudem hängt der Roboter bei Kraken an einem Kransystem, das je nach Position des Querträgers mehr oder weniger Durchhang aufweist, was allein schon unterschiedliche Fehler ergibt.» Das externe Messsystem sei im Übrigen im Kraken-Aufbau schon deshalb zwingend notwendig, weil der Kran im Portalsystem nicht über einen Encoder verfügt. Das System erhält also kein Feedback zur Kranposition.
Dass die Wahl beim Roboter auf Comau fiel, begründet Philipp Schmid so: «Die Steuerung ist offen und bietet vollen Zugang. Deshalb können wir überall in die Regelalgorithmen und auf die Stromregler jeder Achse zugreifen. Das war entscheidend für das Projekt, denn wir müssen dabei Grenzen verschieben können. Der zweite Punkt ist, dass der Comau agil reagiert und schnell ist.» Durch das externe Messsystem wird der Kraken laut Philipp Schmid problemlos skalierbar nach unten wie oben. «Nicht die Arbeitsbereiche des Roboters und der Krananlage sind limitierende Faktoren sondern die Reichweite von rund 100 m des Messsystems von Leica. Auch das ist jedoch keine absolute Grenze, dann man kann mehrere Leica-Systeme vernetzen und so den Arbeitsraum beliebig vergrössern. Man muss sie einfach untereinander referenzieren.»
Den Nutzen für das CSEM und die Schweizer Industrie sieht Philipp Schmid so: «Es geht nicht darum, ein Kraken-System verkaufen zu können. Das Projekt hat eine Reihe wichtiger Nebeneffekte. Wir bauen eine hohe Kompetenz in Regelungstechnik und in Sachen Echtzeit-Hochpräzisions-Messsysteme und -verfahren in der Robotik auf und beschäftigen uns mit industriellen AM-Prozessen. Diese Kompetenzen werden so für die Schweizer Industrie abrufbar.» Bis Ende September 2019 haben Crivelli, Schmid und ihre Mitarbeiter noch Zeit um ihre Ziele zu erreichen, dann ist nach 36 Monaten Projektlaufzeit Schluss.
CSEM und Kraken
Das Schweizer Forschungszentrum CSEM hat sich unter anderem auf Nanotechnologie und Systems Engineering spezialisiert. Rund 450 hoch qualifizierte Mitarbeiter arbeiten in Neuenburg, Alpnach, Muttenz, Landquart und Zürich, von ihnen 35 in Alpnach, dem Zentrum für Robotik und Automation der Organisation, und da wiederum fünf am Kraken-Projekt.
Das Projekt "KRAKEN" wurde unter der Finanzhilfevereinbarung 723759 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 finanziert. Das Projektvolumen von Kraken beträgt rund Euro 6 Mio. Davon gehen rund Euro 600 000 ans CSEM. CSEM-intern gehen knapp CHF 300 000 nach Alpnach.