De robot moet plaatsmaken voor een innovatiever alternatief

Wie denkt dat innovatie altijd betekent dat je meer technologie nodig hebt, komt soms bedrogen uit. Een enorme industriële robot tilt en wikkelt druktanks voor waterstof. Het is indrukwekkend, maar ook complex, duur en inflexibel. Normaal zou je zeggen: “Meer robot, meer kracht”, maar mijn masterproef draaide juist om het tegenovergestelde: de robot vervangen door een systeem dat goedkoper en flexibeler is.

Thermoplastische druktanks zijn licht, corrosiebestendig en volledig recycleerbaar. Ze zijn cruciaal voor de energietransitie omdat ze veilige opslag van waterstof en andere gassen mogelijk maken. Tot nu toe werd dit gedaan met de KUKA KR 1000 Titan, een gigantische robot die enorme kracht en precisie levert. Het systeem werkt, maar de nadelen zijn groot: hoge aanschafkosten, ingewikkelde programmering en de noodzaak tot stevige structurele verankering in de vloer. Bovendien kan de robot slechts één druktankformaat produceren. Het was duidelijk, er moest een nieuwe aanpak komen.

Waar beginnen als alles complex lijkt?

De masterproef begon met een uitgebreide voorstudie. Literatuuronderzoek bracht bestaande productiemethoden en technologieën in kaart, terwijl de huidige robotopstelling in detail werd geanalyseerd om te begrijpen hoe elk onderdeel functioneert. Daarnaast werd de markt onderzocht om mogelijke alternatieve machines in kaart te brengen.

Simulaties in Visual Components, een simulatie programma,  maakten het bewegingstraject van de robot zichtbaar. Zo werd duidelijk welke bewegingen nodig zijn voor het wikkelproces. Deze stap legde de basis voor een alternatief dat de productiesnelheid behoudt, maar flexibeler en kostenefficiënter is.

Wat moet blijven, wat kan beter?

In de functionele analyse werd vastgesteld welke functies essentieel zijn en welke verbeterd konden worden. Bestaande functies zoals het vastgrijpen en loslaten van de druktank en het roteren van de druktank werden behouden, omdat deze al door de robot werden uitgevoerd en cruciaal zijn voor het wikkelproces. Tegelijkertijd werden nieuwe functies toegevoegd om het systeem flexibeler te maken, zoals het afstellen van de lampen op de buiging van de druktank, wat bij de robot een vaste opstelling was en daardoor slechts één druktankformaat mogelijk maakte. Door deze analyse werd duidelijk welke functies behouden moesten blijven, welke konden worden aangepast, en waar innovatieve oplossingen het nieuwe systeem beter en flexibeler maakten.

Van brainstorm naar blueprint: het slimme idee

Met de functionele analyse als basis startte de conceptontwikkeling. Voor elke functie werden verschillende oplossingen bedacht en systematisch verzameld in een morfologisch overzicht, een schema waarin de mogelijkheden per functie naast elkaar worden gezet en waarbij direct zichtbaar is welke combinaties wel of niet werken. Zo ontstond een samenhangend concept dat alle functies van het systeem optimaal invult.

Uiteindelijk viel de keuze op een XYR-systeem, bestaande uit twee translatieassen en één rotatieas. Deze assen nemen de hoofdbewegingen van de KUKA-robot over tijdens het wikkelproces. Flexibele grijpers maken het mogelijk om druktanks van 500 tot 3000 mm in lengte en 160 tot 460 mm in diameter te verwerken. Het resultaat is een systeem dat veel flexibeler is dan de oorspronkelijke opstelling en dat snel kan worden aangepast aan verschillende productiescenario’s.

In 3D zichtbaar maken wat je in je hoofd hebt

Na de conceptfase begon het mechanische ontwerp in Autodesk Inventor. Eerst werden de componenten zorgvuldig geselecteerd, waarna deze keuzes werden gevalideerd bij leveranciers zoals Vansichen en SEW. Vervolgens werden de componenten volledig in 3D uitgewerkt. Dit was geen eenvoudige taak: er moest goed worden nagedacht over hoe alle componenten samenwerken, hoe ze worden aangedreven, waar de motoren bevestigd worden en hoe de lampen de buiging van de druktank kunnen volgen.

Het 3D-ontwerp maakt het concept tastbaar en laat zien hoe het systeem in werkelijkheid zal functioneren voordat de machine wordt gebouwd. Pas na deze virtuele uitwerking werden offertes aangevraagd: voor de bewegingscomponenten bij Vansichen, voor de motoren bij SEW, en voor het frame bij Casters Metaalwerken.

Checken of alles klopt

Vervolgens werd het volledige systeem in Visual Components gesimuleerd om te controleren of het XYR-systeem de hoofdbewegingen van de robot correct kon uitvoeren. Door de bewegingen van het nieuwe systeem te vergelijken met die van de KUKA-robot, kon worden gevalideerd dat het wikkelproces technisch correct zou verlopen. Tegelijkertijd werd een kosten-batenanalyse uitgevoerd, waaruit bleek dat de aanschafkosten van het XYR-systeem ongeveer vijf keer lager liggen dan die van de robot. Wanneer de totale kosten van het systeem inclusief componenten worden berekend, bedragen deze nog maar altijd iets meer dan de helft van de prijs van de robot alleen. Deze simulatie en analyse bevestigd dat het XYR-systeem zowel technisch als economisch een overtuigend alternatief is.

Het resultaat dat overtuigt

Het eindresultaat is een XYR-systeem dat alle functies van de robot behoudt, maar veel problemen oplost. Het systeem kan verschillende druktankformaten verwerken dankzij verstelbare grijpers, is eenvoudiger te programmeren waardoor aanpassingen snel kunnen worden doorgevoerd, en is aanzienlijk kostenefficiënter. Bovendien is de noodzaak tot stevige vloerankering sterk verminderd, omdat de nieuwe opstelling geen groot moment meer veroorzaakt, zoals bij de robot.

Door deze verbeteringen biedt het systeem een balans tussen technische betrouwbaarheid en economische haalbaarheid. Het is klaar voor industriële toepassing en maakt de productie van thermoplastische druktanks goedkoper en flexibeler zonder kwaliteitsverlies. Het laat zien dat innovatie niet altijd draait om meer of grotere robots, vaak kan een slimmer ontwerp meer opleveren dan extra technologie.