Werkstoffe in der Robotik: Warum die Materialauswahl entscheidend ist
Ein Roboter wirkt auf den ersten Blick wie eine einzelne Maschine, mechanisch betrachtet besteht er jedoch aus einer Vielzahl von Komponenten – jede mit eigenen Anforderungen. Und mit ihnen kommt eine erstaunlich breite Auswahl an Werkstoffen ins Spiel: Stahl, Aluminium, Titan, Faserverbundwerkstoffe, technische Kunststoffe, Elastomere, Kupfer, Keramik und mehr. Diese Vielfalt hat einen Grund: Jeder Werkstoff hat seine spezifischen Stärken und die richtige Wahl hängt davon ab, was eine bestimmte Komponente leisten muss. Die Werkstoffauswahl beeinflusst daher maßgeblich die Leistung einzelner Komponenten und letztlich die Effizienz, Präzision und Zuverlässigkeit des gesamten Robotersystems.
Ein besonders wichtiger Aspekt: die bewegte Masse
Wenn ein Roboterarm beschleunigt, muss sein Antrieb die bewegte Masse beschleunigen. Das für die Beschleunigung erforderliche Drehmoment hängt unter anderem von der Masse und ihrer Verteilung relativ zur Drehachse ab, wobei der Abstand einen besonders großen Einfluss hat. Ein einfaches Beispiel verdeutlicht, warum: Bei einer Punktmasse steigt das Massenträgheitsmoment mit dem Quadrat ihres Abstands zur Drehachse. Verdoppelt man den Abstand derselben Masse zur Achse, vervierfacht sich ihr Beitrag zum Trägheitsmoment. Verdreifacht man ihn, wird der Beitrag neunmal so groß.
Besonders relevant ist dies für bewegte Roboterstrukturen wie Arme und deren Gelenke sowie für Greifer und Werkzeuge (End-of-Arm-Tooling). Eine geringere bewegte Masse reduziert das für Beschleunigen und Bremsen benötigte Drehmoment und kann dadurch zu höherer Dynamik und einem geringeren Energiebedarf beitragen. Gerade bei Anwendungen mit hohen Beschleunigungen ist das von Bedeutung. Je nach Roboterarchitektur kann eine leichtere bewegte Struktur zudem die für die Nutzlast verfügbare Traglast erhöhen.
Das macht Leichtbauwerkstoffe für bewegte Komponenten attraktiv. Doch geringes Gewicht allein genügt nicht: Der Werkstoff muss zugleich die für die jeweilige Anwendung erforderliche Steifigkeit und Festigkeit bieten.
Langzeitperformance ist eine grundlegende Anforderung
Robotikkomponenten sind in der Regel für wiederholte Bewegungen und Belastungen ausgelegt. Sie wiederholen dieselben Bewegungen immer wieder – unter Umständen millionenfach. Das verändert die Anforderungen an einen Werkstoff. Ein Material, das unter einer einmaligen Belastung überzeugt, ist nicht zwangsläufig die richtige Wahl für eine Komponente, die wiederholt belastet wird. Verschleiß, Ermüdung und Maßhaltigkeit können zu entscheidenden Faktoren werden, insbesondere bei Komponenten, die an Bewegung und Kraftübertragung beteiligt sind. Ein Beispiel sind Zahnräder: Sie müssen Kräfte präzise übertragen und dabei über viele Betriebszyklen hinweg ihre Geometrie beibehalten. Hier können Verschleißfestigkeit und Steifigkeit ebenso wichtig sein wie ein geringes Gewicht.
Eine Robotikkomponente arbeitet selten isoliert
Eine Robotikkomponente muss einer ganzen Reihe von Anforderungen gerecht werden, von Gewicht und Steifigkeit über Festigkeit und Langlebigkeit bis hin zur Verschleißfestigkeit. Die Herausforderung besteht darin, den Werkstoff zu finden, der für die konkrete Anwendung die richtige Kombination dieser Eigenschaften mitbringt. Doch Komponenten arbeiten nicht isoliert. Sie wirken mit anderen Komponenten zusammen, die häufig aus anderen Werkstoffen bestehen. Entscheidend ist daher auch, wie gut die Materialeigenschaften der einzelnen Komponenten zueinander passen. So können etwa Unterschiede in der Wärmeausdehnung relevant werden, wenn Komponenten enge Toleranzen und präzise Bewegungen einhalten müssen. Neue Werkstoffe sollten daher nicht nur hinsichtlich ihrer Einzeleigenschaften bewertet werden, sondern immer auch im Zusammenhang mit dem Design und der Auslegung der Komponente und des Gesamtsystems. Ihr Potenzial muss frühzeitig im Konstruktionsprozess mitgedacht werden, besonders dann, wenn sie eine andere Eigenschaftskombination bieten als konventionelle Werkstoffe.
Werkstoffe entwickeln sich stetig weiter
Etablierte Werkstoffe wie Stahl, Aluminium und Titan werden zunehmend durch Materialien ergänzt, die gezielt darauf ausgelegt sind, bestimmte Eigenschaften auf neue Weise zu vereinen. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) kommen bereits dort zum Einsatz, wo geringes Gewicht und eine hohe spezifische Steifigkeit gefragt sind. Hochleistungskeramiken können außergewöhnliche Härte, Verschleißfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit bieten. Ein weiteres Beispiel sind Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (AMCs): Durch die Kombination einer Aluminiummatrix mit keramischen Partikeln erreichen sie ein anderes Eigenschaftsprofil als herkömmliche Aluminiumlegierungen – etwa geringe Dichte bei gleichzeitig erhöhter Steifigkeit oder Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus können Hybridlösungen unterschiedliche Werkstoffe innerhalb einer Komponente oder eines Systems verbinden, zum Beispiel Metall und Kunststoff, um die jeweiligen spezifischen Vorteile zu nutzen. Das eröffnet zusätzliche Möglichkeiten, Komponenten passgenau auf ihre Anforderungen zuzuschneiden.
Manchmal bewirkt die Wahl eines anderen Werkstoffs mehr als die Verbesserung einer einzelnen Eigenschaft. Sie kann eine andere Gestaltung des Bauteils ermöglichen und damit die Leistung des Gesamtsystems verbessern.
Überdenken Sie Ihre Werkstoffauswahl – es lohnt sich.
Über die Autorin
Dr.-Ing Kristin Helas ist Head of Product Development bei der CMMC GmbH in Chemnitz.
CMMC bringt Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (AMCs) aus der Nische in die Serienanwendung. Mit einem eigenen, patentierten Gießverfahren stellt das Unternehmen leichte und zugleich besonders steife, verschleißfeste Werkstoffe her, die vollständig in Deutschland produziert werden. CMMC ist Partner im Robot Valley Netzwerk.
