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Heißdraht-Schneiden Roboter schneidet mit hochflexiblem Werkzeug neue Formen

| Redakteur: Katharina Juschkat

Mithilfe komplexer Algorithmen ist es Forschern gelungen, einen Roboter zu koordinieren, der in seinen Armen ein flexibles Werkzeug führt. Das ermöglicht etwa komplexe Styroporformen, um Beton zu gießen.

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Der ABB-Roboter Yumi kann mit einem flexiblen Heißdraht komplexe Formen schneiden - möglich machten das Forscher der ETH Zürich.
Der ABB-Roboter Yumi kann mit einem flexiblen Heißdraht komplexe Formen schneiden - möglich machten das Forscher der ETH Zürich.
(Bild: ABB)

Die Koordination zweier Roboterarme, die ein flexibles Werkzeug führen, ist enorm komplex. Die Berechnung ist eine äußerst anspruchsvolle Optimierungsausgabe – vor allem, wenn das Werkzeug nicht fest ist, sondern in alle Richtungen flexibel und frei beweglich.

Simon Dünser von der ETH Zürich hat gemeinsam mit anderen Forschenden einen Heißdraht-Schneideroboter entwickelt, dessen Draht sich während der Arbeit flexibel biegen lässt. Er kann dadurch viel komplexere Formen in wesentlich weniger Schnitten erschaffen, als dies bisherige Systeme fertigbringen.

In zehn Schnitten eine Figur schneiden

Bisherige Heißdraht-Schneideroboter schneiden mit einem steifen Draht – deshalb können sie nur sogenannte Regelflächen schneiden, also Flächen, die in jedem Punkt eine Gerade enthalten. Diese Roboter sind damit auf Formen wie Ebenen, Zylinder, Kegel oder Sattelflächen beschränkt.

Der neu entwickelte Robocut der ETH-Informatiker kann dagegen auch Vertiefungen in einem Kunststoffblock erzeugen. Vor allem aber benötigt Robocut wesentlich weniger Schnitte, da der Draht gezielt verbogen werden kann und die Zielform viel schneller erreicht wird.

So lässt sich etwa die Figur eines sitzenden Hasen mit dem biegbaren Draht in zehn Schnitten in holzschnitzartiger Genauigkeit aus einem Styroporblock herausformen. Bereits nach zwei Schnitten sind die Umrisse des Hasen deutlich erkennbar. Das Video zeigt, wie das geht:

Wie Robocut funktioniert

Für Robocut verwendeten die Forscher den ABB-Roboter Yumi, an dessen Arme der Draht befestigt wurde. Bewegungen und Positionen, die zu einem Drahtbruch führen würden, wurden durch Simulationen ermittelt und ausgeschlossen.

Bei der Optimierung von Robocut mussten drei Aspekte mitberechnet werden:

  • 1. Auf der physikalischen Ebene galt es, die kontrollierte Biegung und Bewegung des Drahts vorherzusagen, um die gewünschten Schnitte ausführen zu können.
  • 2. Im Bereich der Form musste eine Schnittfolge ermittelt werden, die in möglichst wenigen Schritten eine möglichst exakte Annäherung der Oberfläche an die Zielform bewirkt.
  • 3. Und schließlich durfte es auch keine Kollisionen mit Teilen des Roboters und seiner Umgebung sowie keine unbeabsichtigten Schnitte geben.  

Der Roboter kann verschiedenste Formen schneiden.
Der Roboter kann verschiedenste Formen schneiden.
(Bild: ETH Zürich/The Computational Robotics Lab)

Zukünftige Anwendungen von Robocut

Die neue Methode ist nicht allein auf das Heißdraht-Schneiden beschränkt: Andere Schneide- und Frästechniken können auch davon profitieren. Insbesondere wenn komplexe, nicht rotationssymmetrische Formen erzeugt werden müssen, eröffnet die Methode einen weitaus größeren Spielraum für die Simulationen.

Direkt profitieren könnte das Funkenerodieren mit Drähten. Mit dieser Technik lassen sich elektrisch leitende Materialien per Funkenabtragung mit hoher Präzision schneiden. Hier könnten in Zukunft biegbare Elektrodendrähte zum Einsatz kommen. Damit ließen sich – analog zum Heißdraht-​​Schneiden von Kunststoffen – kompliziertere und dadurch effizientere Schnitte ausführen als mit den heutigen steifen Drähten.

Eine konkrete Anwendung des Robocut ist gemeinsam mit einer Forschungsgruppe der EPF Lausanne geplant. Mit Hilfe einer Großversion des Heißdraht-Schneideroboters sollen systematische Bausteine für mörtel- und befestigungstechnikfreie Gebäudestrukturen entwickelt werden. Die Elemente müssen dafür selbst stabil zusammenhalten. Später soll der Roboter auch genutzt werden, um die Styroporformen zu schneiden, mit denen die verschiedenen Bausteine in Beton gegossen werden.

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