RoboEtch

Visitenkarten kann man, wenn man will auch aus Aluminium machen. Wie geht das? Eloxierte Rohlinge bestellen, gravieren -fertig?

Nein! Wenn die Vorder- und Rückseite graviert werden sollen, heisst das zwei Arbeitsgänge pro Karte, bei sagen wir mal vielen Karten, gibt das doppelt so viele Arbeitsgänge. Und wenn man aber eine Industriellen CoBot zur Hand hat dann…

Robotergestützte Gravur von Visitenkarten aus Aluminium

Projektübersicht & Motivation

Aus der tiefen Faszination für Robotik heraus ergab sich die Gelegenheit, ein Ausstellungs- und Vorführmodell eines sechsachsigen Industrie-Roboterarms vom Typ Universal Robots UR5e zu erwerben. Nach ersten spielerischen Versuchen um mich mit der Bedienung des Roboterarms vertraut zu machen beginnt hier die erste “industrielle” Fertigungsaufgabe: Dem vollautomatisierten, beidseitigen Gravieren von Aluminium-Visitenkarten mittels eines Galvanometer-gesteuerten Faserlasers.

Die primäre Herausforderung: Der Faserlaser verfügte weder über eine dokumentierte, quelloffene API noch über externe digitale Steuerschnittstellen. Um ein zeitintensives, manuelles Neuladen von Laser G-Code für Vorder- und Rückseite zu vermeiden, musste ich ein System entwickeln, welches beide Seiten synchron in einem einzigen Laservorgang graviert und die Beschickung an den Roboter delegiert.

Setup

• Roboterarm Universal Robots UR5e mit integriertem Kraft-Moment-Sensor

  • Manipulator (3D-Druck) mit 4 Vakuum Saugnäpfen

  • Adapter (3D-Druck) für die Standardaufnahme an der 6.Achse

  • Unterdruckschlauch 6mm Quick-Fit

  • Teach-Pendant (Toch-Display zur Steuerung und Programmierung)

  • Integrierte I/O-Box (

• Drehteller

  • Pneumatischer Schwenkantrieb (Schwenkfügel-Antrieb) mit justierbaren Endanschlägen

  • Halterung zur Montage in die Lochrasterplatte (3D-Druck)

  • Drehteller zweiseitig mit jeweils zwei Vertiefungen für Forder- und Rückseite

  • Induktiver Näherungssensor zur verifizierung des Erreichens der Endpositionen (Nach dem ersten zersplitterten Drehteller und zu forscher Optimierung der Zykluszeiten… Grins!)

• Laser Gravierer xTool F1

  • Zusatz-Auslöser zum externen Starten des Laser-Vorgangs

• Kartenstapel

  • Kartenschacht (3D-Druck)

  • Ablageschacht (3D-Druck)

• Technik

  • Robotersteuerung

  • Vakuumpumpe

  • Druckluftanschluss

  • Solenoid-2/5-Wege 4-Fach-Ventilblock

    • Drehteller

    • 2-Wege-Zylinder “Startknopfdrücker”

    • Exhaust-Air (Nach realisation, dass einfaches Zuschalten von Atmosphärendruck keinen zuverlässigen Kartenabwurf erzeugt)

  • Vakuum-Sensor mit digitalem Ausgang und Schwellenwertdefinition

• Basis

  • Werkzeugwagen aus Edelstahl

  • Lochrasterplatte mit M-8-Innengewinde 50×50mm aus Multiplex

  • Adapterplatte für Roboter-Basis aus Multiplex

• Software / Steuerung

  • Virtuelle Umgebung

    • Sichere Zonen

    • Virtuelle Begrenzungen

    • Koordinatensysteme für die verschiedenen Baugruppen

    • Exakte Koordinaten im Bezugssystem

  • Sicherheits-Einstellungen

    • Crash-Empfindlichkeit

    • Not Halt

    • Beschleunigung

    • usw.

  • Programm-Code

    • Genereller Ablauf

    • Funktionsblöcke für repetitive Sequenzen

    • Init-Phase

    • Exit-Phase

    • Geschwindigkeiten

    • Beschleunigung

    • Background Thread für Vakuumüberwachung

Herausforderungen

Der Prozess beginnt in einem maßgeschneiderten, 3D-gedruckten Kartenschacht, in dem die Rohlinge aufgestapelt sind. Das automatisierte Vereinzeln dünner, glatter Metallkarten birgt eine klassische Hürde der Automatisierungstechnik: Die sogenannte planparallele Adhäsion (Saugwirkung durch Luftausschluss), durch die mehrere Karten wie zusammengeklebt aneinanderhaften.

Um dieses Problem prozesssicher zu lösen, kam eine Sensor-Fusion aus der Robotik und externer Sensorik zum Einsatz:

• Nutzen des Kraft-Momenten-Sensors (e-Series): Das „e“ des UR5e steht für die integrierte, mehrachsige Wägezelle in der sechsten Achse. Statt fehleranfälliger mathematischer Höhenberechnungen läuft der Manipulator mit moderner Geschwindigkeit nach unten, bis der integrierte Kraft-Momenten-Sensor ein exakt definiertes Force-Feedback detektiert. Die Stapelhöhe ist dem System somit völlig egal – der Roboter stoppt materialschonend bei physischem Kontakt.

• Die Entstapel-Kinematik: Um die Adhäsionskräfte zu brechen, hebt der Roboter die Karte minimal an und führt eine hochfrequente, zweiachsige Oszillationsbewegung (Wackelbewegung) um den Aktuatorenmittelpunkt in der X- und Y-Achse aus. Anschließend wird die Karte in einer leichten Schräglage aus dem Schacht gefahren. Dank der hohen Beschleunigungswerte des UR5e läuft dieser gesamte Trennvorgang in unter zwei Sekunden ab und verhindert das Mitziehen von Zweitkarten absolut zuverlässig.

• Vom Zufall zur messbaren Sicherheit: Da die Kraft-Rückkopplung allein keine Garantie für ein gehaltenes Vakuum bietet, wurde ein digitaler Unterdruck-Vakuumwächter mit Display in die Pneumatikleitung integriert. Dieser Sensor wird permanent in einem dedizierten Background-Thread der Robotersteuerung abgefragt. Fällt das Vakuum während des Transports unter den Schwellenwert, stoppt das Programm sofort (Isolierung von Fehlerquellen), anstatt unkontrolliert weiterzuarbeiten.

2. Tooling-Design: 3D-Druck im Vakuum-Einsatz

Da Standard-Greifsysteme für diese Applikation zu schwer und unflexibel waren, wurde ein maßgeschneiderter Leichtbau-Vakuumgreifer auf Fusion 360 konstruiert und additiv gefertigt.

Das Problem bei 3D-gedruckten Pneumatik-Komponenten ist die inhärente Mikroporosität des FDM-Drucks. Durch intensive Optimierung der Slicer-Settings (erhöhte Extrusion, maximale Wandlinien) und das gezielte Versiegeln kritischer Flächen mit hochviskosem Cyanacrylat (Sekundenkleber) wurde das Gehäuse absolut luftdicht präpariert. Ein direkt in den Druck integriertes Feingewinde nimmt das pneumatische Fitting auf, während die Aufsätze für industrielle, strömungsoptimierte Saugnäpfe ausgelegt sind. Nach drei iterativen Designstufen entstand so ein hochperformanter Prototyp.

3. Der Medienträger: Synchron-Drehteller & Hardware-Hacking

Das Herzstück der Synchron-Gravur bildet ein mechanisch gespiegelter Drehteller mit zwei gegenüberliegenden Bearbeitungsstationen. Jede Station besitzt zwei Fächer: In Fach A liegt die Vorderseite einer neuen Karte oben, in Fach B die Rückseite der zuvor gewendeten Karte.

   [ Station 1: Laser-Bereich ]
       Fach A (Vorderseite) | Fach B (Rückseite mit Ausschnitt)
                 ▲
                 │  180°-Rotation
                 ▼
   [ Station 2: Roboter-Bestückung ]

Prozess-Sicherheit & Taktung

Der Drehteller rotiert um 180°. Da reine Zeitsteuerungen der Rotation durch Luftdruckschwankungen oder mechanische Blockaden (z. B. im Weg liegendes Werkzeug) im Entwicklungsprozess zu teurem Ausschuss führten, wurde ein induktiver Näherungssensor nachgerüstet. Dieser detektiert eine Justierschraube an den Endanschlägen der Drehplatte und gibt die Zielposition über die digitalen Eingänge (DI) der Robotersteuerung frei. Erst wenn dieses Signal anliegt, startet der Prozess der Beschickung.

Laser-Gravierer Ansteuerung

Da der Laser kein digitales Startsignal verarbeiten konnte, wurde die Ansteuerung mechanisch gelöst: Ein pneumatischer Kurznhubzylinder ist exakt über dem physischen Startknopf des Lasers montiert. Meldet der induktive Sensor das Einrasten des Drehtellers, löst die Robotersteuerung ein Magnetventil aus, und der Zylinder triggert den Laserprozess.

Da auch kein digitales "Fertig"-Signal vom Laser kommt, läuft die Taktung aktuell über ein empirisch ermitteltes Zeitfenster. Für die finale Ausbaustufe ist jedoch bereits das nächste Feature geplant: Das Abgreifen der Schaltspannung des internen Abluftlüfters des Lasers, welcher exakt synchron mit dem Gravurvorgang startet und stoppt, um ein echtes Closed-Loop-Rückmeldesignal zu generieren.

4. Dynamischer Materialfluss & Impuls-Abwurf

Während der Laser auf der einen Seite des Tellers arbeitet, fährt der Roboter in Warteposition.

Sobald die Drehplatte nach dem Laservorgang zurückschwenkt, saugt der Roboter die beidseitig gravierte Karte an und bewegt die in den Ablagestapel. In Folge saugt er die einseitig gravierte Karte an, wendet sie im Raum und legt sie durch einen Ausschnitt im Drehteller umgedreht (Rückseite nach oben) in Fach B ab.

Das Problem der elastischen Rückfederung (Springback)

Beim Ablegen der gewendeten Karte passierte es anfangs regelmäßig, dass die Karte durch materialspezifischen Verzug (Flexing) elastisch nach oben federte, sobald das Vakuum abgestellt wurde. Ein reines Belüften der Leitung unter Atmosphärendruck war viel zu träge.

Die Lösung brachte die Integration eines Druckluft-Überdruckimpulses: Über ein feinfühlig eingestelltes Durchflussreduzierventil (Drosselventil) wird im Moment des Lösens ein minimaler, dosierter Druckluftstoß auf die Saugnäpfe gegeben. Durch die exakte softwareseitige Abstimmung von Vakuum-Unterbrechung und Abwurf-Timing wird die Karte nun kontrolliert in das Fach gedrückt, ohne dass sie springt oder sich verschiebt.

5. Pipeline-Management: Steady-State, Init & Exit

Befinden sich alle Karten im Durchlauf, arbeitet das System im hocheffizienten Steady-State: Bei jedem Zyklus wird eine fertige Karte in den Auswurfschacht gestapelt, eine teilgravierte Karte gewendet und ein neuer Rohling eingezogen.

Die größte logische Denkarbeit im Programmcode floss in das Pipeline-Management (Anfangs- und Schlusssequenz):

• Die Init-Phase: Beim ersten Start des Systems ist der Drehteller leer. Der Roboter darf nicht versuchen, eine nicht vorhandene Karte zu wenden oder zu greifen, da der fehlende Unterdruck sonst sofort einen Not-Halt auslösen würde. Die Beladungssequenz muss daher schrittweise aufgebaut werden.

• Die Exit-Phase: Ist der Kartenschacht leer (detektiert über den UR5e-Nullpunkt-Tiefenanschlag), schaltet das System in eine sequenzielle Entleerung. Die verbleibenden Karten auf dem Drehteller werden sauber zu Ende graviert und ausgeworfen, ohne dass neue Karten nachgeholt werden.

Es kann eine voreingestellte anzahl Karten definiert werden.

Learnings & Kompetenzgewinn

• Roboterprogrammierung & Sensorik: Nutzung von Kraft-Momenten-Sensorik zur adaptiven Bauteilsuchfahrt sowie Implementierung asynchroner Hintergrund-Threads zur Sicherheitsüberwachung.

• Pneumatik & Fluidtechnik: Beherrschung von Unterdrucksystemen, Object-Pooling im Luftstrom (Abwurfsicherung via Drosselventilen) und EMV-sicherer Sensorintegration.

• Kreative Problemlösung: Entwicklung mechanischer und elektrischer Schnittstellen ("Hardware-Hacking") für geschlossene Fremdsysteme ohne offene Software-Schnittstellen.