Hygienisch aufgespießt

Werkstoffe

Hygienic Design – Der Hochleistungskunststoff Lauramid machts möglich: Delta-Roboter in der Lebensmittelindustrie, die sogar Schaschliks spießen können und dabei den strengen Lebensmittelstandards entsprechen.

24. Februar 2010

Die Lebensmittelindustrie ist für Roboter ein anspruchsvoller Markt, denn viele Produkte, seien es Brötchen, Fleischteile, Gemüse oder Schokoladenriegel, variieren in Qualität und Abmessung«, sagt Hartmut Ilch, Geschäftsführer und Chefkonstrukteur des Kehler Unternehmens Majatronic. Das Entwicklerteam des Spezialisten für mechatronische Entwicklungsdienstleistungen für den allgemeinen Maschinenbau beobachtet eine große Nachfrage nach Automatisierung in der Lebensmittelindustrie. Zurzeit, so schätzt die Mannschaft, nutzt dieser Bereich lediglich 20 Prozent des möglichen Automatisierungspotenzials. Das heißt: 80 Prozent liegen brach.

Wie auch bei der Produktion von Schaschlik, die bisher zeit- und personalaufwendige Handarbeit erforderlich machte. Um diese Lücke zu schließen, hat Majatronic einen neuen Lebensmittelroboter entwickelt, der nicht nur Schaschliks spießen, sondern auch portionieren, bearbeiten, verpacken, sortieren, fügen und dekorieren kann und auch in der Pharmazie und Chemiebranche einsetzbar ist.

Der WErkstoff: Lauramid

Ein Kernproblem war für die Spezialisten die Auswahl des Werkstoffes. Denn alle verwendeten Werkstoffe des Roboters mussten für den Lebensmittelbereich zugelassen und gleichzeitig chemikalienbeständig sein und den Reinigungsmitteln bei der Hochdruckreinigung standhalten können. Ein Material, das diese hohen Anforderungen erfüllt, ist Edelstahl, welches die Kehler denn auch für die Unterarme verbauten. Daneben fand das Team aber auch beim Hochleistungskunststoff Lauramid von dem Spezialisten für technische Kunststoffe Handtmann Elteka die gesuchten Eigenschaften.

»Mit Lauramid haben wir nicht nur einen lebensmittelechten und chemikalienbeständigen Kunststoff gefunden, sondern auch einen Werkstoff, der unsere Ansprüche an Dimensionsstabilität und Verschleißfestigkeit erfüllt«, begründet Ilch die Wahl. Eine ebenso wichtige Rolle spielte die Schmiermittelfreiheit von Lauramid, bei dessen Einsatz man zum Beispiel im Gelenkbereich auf Fette, Öle oder ähnliche im Lebensmittelbereich immer problematische Schmierstoffe verzichten kann. Das i-Tüpfelchen aber war das geringe spezifische Gewicht von Lauramid, was wiederum der Dynamik der Roboter zugutekommt. Ein Vielzahl der sichtbaren Teile am Majatronic-RL-Roboter sind daher aus dem naturfarbenen Lauramid gegossen: die Roboteroberarme, die Abstandhalter an den Unterarmen, die Werkzeugträgerplatte mit Endeffektor sowie diverse außen liegende Teile der 4. Achse.

Angepasste Delta-Kinematik

Für die beim Lebensmittelhandling gefragten Pick-and-Place-Aufgaben erschien den Ingenieuren von Majatronic die bekannte Delta-Kinematik, die Anfang der 1950er-Jahre entwickelt wurde, als geeignet. Delta-Roboter sind Parallelroboter mit drei kinematischen Ketten von der Basis bis zum Greifsystem. Seine drei (oder vier) Freiheitsgrade ermöglichen translatorische (und eine zusätzliche rotatorische) Bewegungen. Der Roboter selbst ist oberhalb der Arbeitsfläche angebracht. Dort sitzen Motor, Getriebe und Regelung und an dieser Basis sind drei in der Mitte verbundene Arme angebracht. Die Enden dieser Arme sind mit einer Plattform verbunden, die als Werkzeughalter fungiert.

Die grundlegende Idee hinter einem Delta-Roboter basiert auf dem Einsatz von Parallelogrammen. Diese beschränken die Bewegung der Endplattform auf reine Translation, also Bewegungen auf der X-, Y- oder Z-Achse. Der Antrieb der Arme erfolgt synchronisiert, wobei die Plattform dabei stets parallel zur Arbeitsfläche bleibt. Von der Basis aus kann sich eine vierte Achse zur Mitte der Plattform erstrecken, welche dem Endeffektor einen vierten rotatorischen Freiheitsgrad verleihen kann. Durch den besonderen FEM-optimierten Aufbau der beweglichen Arme besitzen sie ein geringes Massenträgheitsmoment. Dies ermöglicht sehr hohe Beschleunigungen.

spezielle Greifwerkzeuge

Bei der Entwicklung mussten die Spezialisten, neben der Wahl des Werkstoffes, weitere Probleme bewältigen: So mussten sie auch die Gestaltung des Roboters an die Hygieneanforderungen anpassen. Außerdem musste der Roboter das nötige »Fingerspitzengefühl« zeigen, um anspruchsvolle Handarbeiten ersetzen zu können.Und daneben sollte der Automat die in Mannsekunden messbare bisherige händische Ist-Leistung mindestens erreichen, besser noch übertreffen.

Um die Delta-Kinematik an die besonderen Bedingungen und Vorschriften der Lebensmittelindustrie anzupassen, mussten die Majatronic-Entwickler den Roboter unter Hygienic-Design-Aspekten (HD-Design) konstruieren. HD-Design zeichnet sich auch durch die leicht mögliche Reinigung aller Teile, insbesondere unter Hochdruck, aus. Dazu legten die Majatronic-Ingenieure die Werkzeug-Medienversorgung ins Innere der Roboterarme, sodass keine Kabel frei herumhängen. Außerdem konstruierten sie eine glatte Oberfläche ohne hervorstehende Schraubenköpfe, kleinen Spalten oder Fugen.

Majatronic-RL-Roboter sind optional mit einer 2D- oder einer 3D- Bildverarbeitung verbunden, die alle zugeführten, vom Roboter zu verarbeitenden oder zu verpackenden Teile scannt, deren Lage und Qualität ermittelt und der Robotersteuerung übermittelt. Anwender können die Lebensmittelroboter an die jeweilige Aufgabe anpassen, indem sie diese mit anwendungsspezifischen Werkzeugen ausstatten. Diese Greifwerkzeuge entwickeln die Majatronic-Ingenieure je nach Einsatzzweck jeweils individuell. Wie beispielsweise den speziellen Greifer für das Aufnehmen von biegeschlaffen Werkstücken, der inzwischen patentiert ist. Auch für dessen Greiferfinger und Gehäuse kam übrigens Lauramid zum Einsatz.

Martina Klug/aru

Erschienen in Ausgabe: 01/2010