Technik Reportage : Wie Zwick Roell mit Kuka Materialprüfungen automatisiert

Dass Fernbedienungen und Handys sich gut anfühlen und uns angenehm in der Hand liegen, ist langwierigen Prozessen in der Materialforschung geschuldet. Kunststoff- oder Stahlhersteller definieren die Eigenschaften, die das Material haben muss, das sie für ihre Produktion verwenden. Oftmals ist eine große Anzahl an Versuchen notwendig, um die gewünschten Ergebnisse bezüglich der Materialbeschaffenheit zu erzielen. Die größten Stahlhersteller der Welt und viele Kunststoffhersteller sind Kunden von Zwick, die sich mit ihren Materialprüfmaschinen einen Namen gemacht haben. Damit die Prüfsysteme rund um die Uhr und stets exakt arbeiten können, hat Zwick den Transport von Proben mit Robotern von Kuka automatisiert.

Kuka-Roboter werden bei Zwick zum Transport von Proben eingesetzt. Der Roboter bewegt Prüflinge von A nach B. Die Probe kann zum Beispiel ein Metallstück, ein Blechstreifen, ein Insulinpen oder auch ein Teil einer medizinischen Komponente sein. Aber auch große Stahlprügel werden geprüft, die bis zu 700 Millimeter lang und bis 15 Kilogramm schwer sein können. „Eine Probe wird zu 80 bis 90 Prozent zerrissen“, erklärt Robert Kaifler, Produktmanager Automatisierung bei Zwick. „Die Regelparameter, die sich ergeben, werden später in die Produktionsanlage eingespeist, um diese dann zu optimieren. Ob das ein Stahlwalzwerk ist, eine Spritzgussmaschine oder eine Maschine zur Herstellung von Insulinpens, ist vom Prinzip her egal.“

Materialprüfungen erfordern allerhöchste Genauigkeit. Bei der kleinsten Abweichung in der Bewegung verändern sich die Materialkennwerte. Deshalb automatisiert Zwick seit mehr als zehn Jahren ihre Materialprüfmaschinen mit Kuka-Robotern. Durch das Roboterprüfsystem versucht man, Abweichungen auf ein Minimum zu verringern. Hauptaufgabe des Kuka-Roboters ist das exakte Einlegen und Positionieren des zu prüfenden Materials. Nur mit einem Robotersystem bekommt die Materialprüfung einen wirklich reproduzierbaren Prozess ohne Wertverlust – die Zyklen sind eindeutig festgelegt. Das Prüfaufkommen ist in den letzten Jahren wesentlich gestiegen. Die Anzahl der Mitarbeiter im Labor dagegen nimmt konstant ab. Die vorhandenen Mitarbeiter können nun für die wertschöpfende Arbeit eingesetzt werden. Eintönige Tätigkeiten und sich stets wiederholende Prozeduren, die trotzdem höchste Genauigkeit erfordern, werden zuverlässig vom Kuka-Roboter erledigt – wenn es sein muss, sogar rund um die Uhr.

Wenn in der Kunststoffindustrie Material geprüft wird, spielt die Temperatur eine maßgebliche Rolle: Wenn eine Probe mit der Hand berührt wird, ändert sich aufgrund der Körpertemperatur schon die Materialkennwertcharakteristik. Eine manuelle Prüftechnik ist also immer problematisch. Durch eine Roboterhand in Raumtemperatur versucht man, diesen Negativeffekt herauszufiltern. Ein üblicher Versuch dauert zwischen einer und drei Minuten. „Früher“, so erklärt Robert Kaifler, „wurden die Materialversuche händisch durchgeführt. Klar, dass da die Ergebnisse nicht immer exakt waren.“ Hauptaugenmerk liegt also auf der Präzision und Genauigkeit des Roboters. „Der Versuch ist normiert, die Geschwindigkeit festgeschrieben“, sagt Wolfgang Mörsch, Vertrieb Innendienst und Marketing bei Zwick. „Das Wichtigste für uns ist, dass die Probe sicher und präzise von A nach B gebracht wird.“ Zwick-Kunden führen vor allem Normversuche durch. „Die Hauptzielsetzung ist natürlich die Kostenreduktion“, erläutert Robert Kaifler. Einsatzgebiete der Kuka-Roboter bei den Zwick-Prüfsystemen sind zu 80 Prozent die zerstörende, zu 20 Prozent die nicht zerstörende Werkstoffprüfung. Hierfür werden vor allem die Robotertypen KR 6, KR 30 und KR 60 eingesetzt. Inzwischen hat Zwick etwa einhundert automatisierte Systeme verbaut, die weltweit im Einsatz sind.

Die Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse ist bei der Prüfung von Medizinprodukten unverzichtbar. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, hat Zwick ein vollautomatisiertes System zur Insulinpen-Prüfung entwickelt. Eine Materialprüfmaschine der zwicki-Line mit integriertem Torsionsantrieb in Kombination mit einem KR 5 sixx von Kuka sorgt für exakte und wirtschaftliche Prüfungen. Seit mehreren Jahren ist Zwick verstärkt auch im Bereich der Medizintechnik aktiv. Mit der Prüfmaschine können die Dosierungseinstellung und die Auslösekraft gemessen und die abgegebene Dosis in einem fortlaufenden Vorgang abgeleitet werden. Die Prüfverfahren der beiden Prüfachsen sind beliebig modifizier- und kombinierbar. Die automatisierte Probenzuführung erfolgt über das Roboter-Handlingsystem. Verfälschungen der Prüfergebnisse durch Bedienereinflüsse sind ausgeschlossen. Der Prüfprozess wird durch den erhöhten Probendurchsatz deutlich effizienter, bei Bedarf können aber jederzeit manuelle Prüfungen durchgeführt werden. Auch die Abrollkraft von Mullbinden, die Materialbeschaffenheit von Zahnarztspritzen oder die Kindersicherung für Medikamentenverschlüsse werden von den automatisierten Zwick-Prüfsystemen untersucht. „Ein Produktionsprozess von Medizinprodukten muss lückenlos dokumentiert werden – das erfordert die FDA-Richtlinie. Auch hier sorgt die Automatisierung mit Kuka-Robotern für genau planbare und nachvollziehbare Abläufe“, betont Robert Kaifler. Mit dem leistungsstarken und offenen Steuerungskonzept von Kuka kann Zwick die Prüfanlagen an die spezifischen Anforderungen der Endkunden anpassen. Darüber hinaus stehen zahlreiche Erweiterungsoptionen zur Verfügung, mit denen der Roboter problemlos an sich ändernde oder neue Aufgaben angepasst werden kann. Präzises und wiederholgenaues Arbeiten steht bei Zwick im Fokus. Robert Kaifler ist überzeugt: „Der Erfolg gibt uns recht. Auf Kuka-Roboter zu setzen, war die richtige Entscheidung.“

Bereits im Jahr 1938 begann die Firma Zwick Roell in Ulm-Einsingen mit der Herstellung von Prüfmaschinen und avancierte in den folgenden Jahrzehnten zu einem weltweiten Hersteller von Maschinen für Werkstoffprüfungen. Die Produktpalette umfasst Materialprüfmaschinen für Zug-, Druck- und Biegeprüfungen an Werkstoffproben, Bauteilen und Komponenten. 2016 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 210 Mio. Euro. Zur Firmengruppe gehören mehr als 1.450 Mitarbeiter und Produktionsstandorte in Deutschland (Ulm, Bickenbach), Großbritannien (Stourbridge) und Österreich (Fürstenfeld).

Kuka ist ein internationaler Anbieter von Automatisierungslösungen. Neben dem Hauptsitz am Produktions- und Entwicklungsstandort Augsburg ist der Konzern mit rund 100 Gesellschaften international vertreten. Zu den Kunden zählen unter anderem die Automobilindustrie und der Maschinen- und Anlagenbau. 2016 knackte die AG erstmals die Drei-Milliarden.