Entwicklung der Mensch-Roboter-Kollaboration beim Drapieren von Verbundwerkstoffteilen
Drapieren ist ein industrielles Verfahren, bei dem Kohlenstoff- oder Glasfasergewebe schichtweise übereinandergelegt und so verbogen wird, dass es sich einer vorgegebenen 3D-Form anpasst. Es kommt bei etwa einem Drittel aller Kohlefaserteile zur Anwendung und ist in Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Windenergie- und Sport-Industrie weit verbreitet. Rund 4 000 Unternehmen in Europa nutzen diese Technologie. Die exakte Positionierung und Ausrichtung der Fasern gestaltet sich jedoch schwierig, wenn gleichzeitig Falten in den Stoffen vermieden werden sollen. „Die größte Herausforderung liegt darin, dass das Kohlenstoffgewebe flach ist, während das Formteil eine komplexe 3D-Form besitzt“, erklärt Christian Eitzinger(öffnet in neuem Fenster), Leiter der Abteilung für maschinelles Sehen bei PROFACTOR(öffnet in neuem Fenster) in Österreich. „Stellen Sie sich vor, dass Sie eine Kugel in ein Stück Papier einwickeln. Das ist nicht ohne Faltenbildung möglich“, fügt er hinzu. Kohlefasergewebe ist in der Lage, sich an solche Formen anzupassen, indem es seine Winkel im Inneren verändert. Die Veränderung dieser Winkel zu steuern ist jedoch eine der größten Herausforderungen beim Drapieren, da sich dies erheblich auf die mechanische Leistung auswirkt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts DrapeBot(öffnet in neuem Fenster) haben Forscher einen neuen Roboter mit dem Namen DrapeBot entwickelt, der Menschen beim Drapieren Hilfe leistet. Der Roboter hilft beim Transport großer Materialstücke und drapiert Bereiche mit geringerer Krümmung, während ein Mensch für die Drapierung schwierigerer Bereiche mit hoher Krümmung zuständig ist. „Es gibt gute Belege dafür, dass diese Technologie Vorteile bringt“, sagt Eitzinger. „Dies müssen nun von den Projektpartnern, die die Technologien entwickeln, öffentlich bekannt gemacht werden.“
Entwicklung der Mensch-Roboter-Kollaboration
Das Roboterarmsystem DrapeBot hat einem großen verformbaren Greifer, mit dem Materialien transportiert und bearbeitet werden können. Es wurde für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter entwickelt und verfügt über eine Reihe von Komponenten, die dies unterstützen, darunter Sensoren für die Qualitätskontrolle und die Ortung von Menschen sowie eine KI-gesteuerte Technologie zur Erkennung ihrer Handlungen. „Alle diese Komponenten wurden parallel entwickelt und zu drei verschiedenen Zeitpunkten in das Projekt integriert, um ihre Leistungsfähigkeit in der jeweiligen Anwendung zu überprüfen“, erläutert Eitzinger. „Durch die Ergebnisse dieser integrierten Tests konnten alle verbleibenden Probleme identifiziert und in der folgenden Projektphase behoben werden.“ Aufgrund der Größe der Roboter bestand die Gefahr erheblicher Schäden, auch für den Forscher, der mit dem Roboter zusammenarbeitet. Aus diesem Grund hat das Team auch Regeln zum Umgang mit solchen Situationen entwickelt. „Glücklicherweise mussten wir diese Regeln nie anwenden – abgesehen von ein paar Kratzern an einem der Roboter gab es keine Schäden“, stellt er fest.
Verbesserungen im Vergleich zum Drapieren ohne Roboter
Es wurden erweiterte Tests durchgeführt, bei denen die Roboter-Arbeitszelle in den Einrichtungen von Endbenutzern, die Teil des Projektkonsortiums sind, sowie von Industrietechnologie-Anbietern aufgestellt wurde. Im Rahmen des Projekts nahmen die Forscher eine detaillierte Bewertung der Projektergebnisse im Vergleich zu einer nur von Menschen ausgeführten Drapierung vor. Es wurde eine Produktivitätssteigerung von bis zu 47 % in Bezug auf die Kosten des Verfahrens ermittelt.
Arbeit an neuen Prototypen und Skalierung
Das Team wird nun an ersten Prototyp-Implementierungen arbeiten, unter Einbeziehung einiger der im Projekt entwickelten technologischen Elemente. „Es liegt nun in den Händen der Endnutzer des Projekts, dies zu definieren und damit voranzuschreiten“, ergänzt Eitzinger. „Auf der Grundlage eines solchen Prototyps wird ein größerer Maßstab umgesetzt werden können.“
