Bin Picking von Kunststoff- und Gummiteilen: Schüttgut sicher aus Kiste und Gitterbox greifen

Beim Griff in die Kiste denken viele zuerst an schwere Metallteile. In der Kunststoff- und Gummiverarbeitung stellt sich die Aufgabe anders, aber nicht einfacher. Die Teile sind leicht, kontrastarm und liegen zwischen transparenten Netzen und Zwischenlagen, und die Ablage in eine Vorrichtung oder Bestückmaske ist häufig schwieriger als der Pick selbst. Dieser Beitrag zeigt, worauf es beim Bin Picking von Spritzguss- und Gummiteilen ankommt: von den Materialeigenschaften über die realistische Beschreibung der Kiste bis zur Entscheidung zwischen 2D-Kamera und 3D-System. Er gehört zum Themenfeld der Robotik in der Kunststoffverarbeitung und ergänzt die Prüfung am Entnahmehandling um die Zuführseite.

Wichtige Punkte im Überblick

Schwarze, glänzende und halbtransparente Kunststoff- und Gummiteile liefern kaum Kontrast, weshalb die 3D-Erfassung aus der Geometrie statt aus dem Grauwert leben muss.
In der Kiste steckt die halbe Aufgabenstellung: Transparente Trennnetze, Zwischenlagen und der geforderte Entleerungsgrad gehören ausdrücklich ins Lastenheft.
Die Ablage ist oft anspruchsvoller als der Griff in die Kiste: Das Teil muss orientiert in Vorrichtung, Maschine oder Bestückmaske, wofür sich Greifkonzept, Umorientierung und eine Lagekontrolle vor dem Fügen als Stellhebel bewährt haben.
Die Wahl zwischen 2D und 3D richtet sich nach der Teilelage: Flach und vereinzelt liegende Teile erledigt eine 2D-Roboterführung, echtes Schüttgut in der Kiste braucht die volle Höheninformation einer 3D-Roboterführung mit Bahnplanung und Kollisionsprüfung.
Der Machbarkeitstest muss mit Originalteilen im Realzustand laufen, mit der schlechtesten Farbe, der glänzendsten Charge und der vollen wie der fast leeren Kiste.

Vom Handarbeitsplatz zum Griff in die Kiste: warum Kunststoffverarbeiter jetzt automatisieren

Der häufigste Auslöser ist derselbe wie überall in der Fertigung: Das manuelle Beschicken von Maschinen, Montageplätzen und Galvanikgestellen im Zwei- oder Dreischichtbetrieb lässt sich nicht mehr besetzen. Ein Werker, der acht Stunden lang Kappen aus einer Kiste nimmt und in eine Maske steckt, ist heute kaum noch zu finden, und die Tätigkeit ist ergonomisch belastend.

Ein zweiter Anstoß kommt von der Vereinzelung. Wendelförderer und Rütteltöpfe vereinzeln kleine Kunststoffteile zuverlässig, brauchen aber Stellfläche, sind laut, verkratzen empfindliche Oberflächen und müssen für jede Variante mechanisch angepasst werden. Ein Roboter, der direkt aus der Kiste greift, spart genau diese Stufe ein.

Typische Werkstücke aus der Anwendungspraxis: Gehäuse, Flaschen und Kappen mit 4 bis 5 cm Kantenlänge, Lichtleiter und Drucktasten unter 10 mm als loses Schüttgut, Gummi-Metall-Buchsen mit 100 bis 150 g, umspritzte Stromschienenelemente und Rohlinge in Kleinladungsträgern.

Schwarz, glänzend, durchsichtig: was Kunststoff- und Gummiteile für 3D-Kameras schwierig macht

Kunststoff und Gummi bringen eigene optische Hürden mit, die über die Machbarkeit entscheiden.

Schwarz auf schwarz: Rußgefüllte Polymere und schwarzer Gummi schlucken Licht. In einer schwarzen Kiste voller schwarzer Teile fehlt jeder Kontrast, auf den eine klassische Kamera bauen könnte. Die 3D-Erfassung muss aus der Geometrie leben, nicht aus dem Grauwert.
Halbtransparenz: Lichtleiter, milchige Silikonteile und dünnwandige Folienteile lassen einen Teil des Messlichts durch die Oberfläche laufen. Das Höhenbild wird löchrig oder verrauscht, wenn Sensorik und Belichtung nicht darauf ausgelegt sind.
Geringes Gewicht: Ein Teil von wenigen Gramm verrutscht, sobald der Greifer das Nachbarteil zieht. Die Szene in der Kiste verändert sich also nach jedem Pick, und das System muss neu aufnehmen, statt mit einem alten Bild weiterzuarbeiten.
Statische Aufladung: Leichte Teile kleben aneinander und am Greifer. Wo das den Ablauf stört, gehört eine Ionisierung in die Zelle, ein Thema, das ein eigener Beitrag vertieft.

Die Konsequenz ist immer dieselbe: Der Machbarkeitstest muss mit Originalteilen im Realzustand laufen, mit der schlechtesten Farbe, der glänzendsten Charge und der vollen wie der fast leeren Kiste. Ein Test mit einem sauberen Einzelteil auf dem Labortisch sagt über das Schüttgut wenig aus.

Zwischenlagen, Netze und Trays: die Kiste realistisch beschreiben

Wer eine Bin-Picking-Zelle anfragt, beschreibt meist das Teil, aber selten die Kiste. Dabei steckt in der Kiste die halbe Aufgabenstellung. In dokumentierten Anwendungen reicht das Spektrum vom Kleinladungsträger mit 400x300 mm bis zu großen Behältern und Gitterboxen, und dazwischen liegt fast immer etwas: transparente Trennnetze, Zwischenlagen aus Pappe oder Folie, teils auch Beutel um einzelne Teile.

Diese Details verändern das Projekt grundlegend. Ein transparentes Netz ist für viele 3D-Sensoren fast unsichtbar, der Roboter würde hindurchgreifen. Eine Zwischenlage muss von irgendjemandem entfernt werden, und die Antwort darauf gehört ins Lastenheft: Entweder greift der Roboter die Lage selbst mit einem geeigneten Sauger, ein Werker entnimmt sie im Rahmen anderer Tätigkeiten, oder die Verpackung wird auf Zwischenlagen umgestellt. Jede dieser Antworten ist zulässig, nur die unbeantwortete Frage rächt sich bei der Inbetriebnahme.

Zur ehrlichen Kistenbeschreibung gehören außerdem der Füllgrad im Anlieferzustand, die Frage, ob Teile über den Rand ragen dürfen, und der geforderte Entleerungsgrad. In realen Projekten ist die Restentleerung bis auf wenige Teile eine harte Anforderung, denn eine Kiste, die ein Werker nachleeren muss, spart keinen Werker ein. Teile in Ecken und an Wänden sind greiftechnisch die schwierigsten und müssen im Test ausdrücklich vorkommen.

Greifen ist die halbe Miete: Ablage in Vorrichtung, Maske und Maschine

Die Anforderung endet nicht am Greifpunkt. In der Projektpraxis ist die Ablage oft der anspruchsvollere Teil: Das Teil soll orientiert in eine Spannvorrichtung, in eine Maschine, in einen Kitkarton oder in eine Bestückmaske, etwa eine 32-fach-Maske für die Galvanik. Ein Teil, das schief in der Maske sitzt, verklemmt den Takt genauso zuverlässig wie ein Fehlgriff.

Drei Stellhebel haben sich bewährt. Erstens das Greifkonzept: Sauggreifer für flächige Teile, Zweibackengreifer für definierte Konturen, Spreizgreifer für Hülsen und Flaschen von innen. Häufig kombiniert eine Zelle mehrere Greifer, weil der Griff aus dem Schüttgut und das Fügen in die Aufnahme unterschiedliche Angriffspunkte verlangen. Zweitens die Umorientierung: Wenn das Teil in beliebiger Drehlage gegriffen wird, braucht es eine Zwischenablage oder eine Übergabe, die es in die Fügeorientierung bringt. Drittens die Kontrolle vor dem Fügen: Eine kurze Lageprüfung, etwa mit einem 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000, stellt sicher, dass das Teil korrekt im Greifer sitzt, bevor es in die enge Aufnahme fährt. Dieser eine Scan verhindert die Störungen, die eine unbemannte Schicht sonst beenden.

Taktzeit, Entleerungsgrad und Footprint: was die Zelle leisten muss

Die Leistungsdaten einer Bin-Picking-Zelle für Kunststoffteile bewegen sich in dokumentierten Anwendungen in klaren Spannen. Pick-zu-Pick-Zeiten liegen zwischen etwa 5 und 45 Sekunden, je nach Teilegröße, Griffsicherheit und Ablagekomplexität. Wo der Spritzgusstakt den Rhythmus vorgibt, genügt oft ein gemächlicher Pick, weil die Maschine ohnehin nur alle 30 Sekunden ein Teil verlangt.

Varianten laufen in der Regel sortenrein, also eine Type je Kiste und Auftrag. Das vereinfacht die Erkennung deutlich gegenüber gemischtem Schüttgut, verlangt aber eine Programmumschaltung ohne Werkereingriff, wenn mehrere Teiletypen über dieselbe Zelle laufen.

Eine Besonderheit der Branche ist der Wunsch nach mobilen Zellen. Kunststoffverarbeiter produzieren in wechselnden Losen, und eine Zelle auf Palettenmaß, die sich zum Umrüsten wegrollen lässt, passt in diese Logik besser als eine fest verankerte Anlage. Für die Bildverarbeitung heißt das: Die Kalibrierung zwischen Kamera und Roboter muss den Ortswechsel überstehen oder sich schnell wiederherstellen lassen.

2D oder 3D: wann ein Kamerabild reicht und wann die Punktwolke nötig ist

Nicht jede Kiste verlangt ein 3D-System. Liegen die Teile flach und vereinzelt, etwa nachdem ein Werker sie auf eine Fläche gekippt hat oder wenn sie lagenweise im Tray ankommen, genügt eine 2D-Roboterführung: Eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS oder die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G erkennt Position und Drehlage und übergibt die Koordinaten an den Roboter. Das ist die wirtschaftlichste Lösung, solange die Annahme der flachen Lage wirklich stimmt.

Echtes Schüttgut in der Kiste braucht dagegen die volle Höheninformation. Ein 3D-Robot-Vision-System erzeugt ein 3D-Bild der gesamten Kiste, erkennt die Lage jedes greifbaren Teils und plant die Bahn zum Greifpunkt inklusive Kistenwänden und Kollisionsprüfung. Die Kameramodelle RB-500, RB-800 und RB-1200 decken unterschiedliche Kistengrößen ab, das größte Modell erfasst einen Bereich von 1260x1260x1000 mm bis hin zur Gitterbox. Als Controller arbeitet ein System der Modellreihe CV-X, das zusätzlich Prüfaufgaben in derselben Zelle übernehmen kann.

Die Roboteranbindung bleibt markenunabhängig. In realen Projekten arbeiten 6-Achs-Roboter, SCARA und Cobots nebeneinander, angebunden über Profinet, EtherCAT oder TCP/IP direkt an die Robotersteuerung, wenn die Bestands-SPS keine freie Schnittstelle mehr hat. Wer die Wahl zwischen 2D und 3D vor dem Test ehrlich anhand der Teilelage trifft und beide Wege im Machbarkeitstest vergleicht, investiert genau dort, wo die Aufgabe es verlangt.

Häufige Fragen

F Funktioniert Bin Picking auch mit schwarzen Kunststoffteilen?

Ja, wenn die 3D-Erfassung auf die Geometrie statt auf den Kontrast baut. Schwarze und rußgefüllte Polymere schlucken Licht, weshalb klassische kontrastbasierte Kameras dort scheitern. Ein 3D-Robot-Vision-System mit einer Kamera der Modelle RB-500 bis RB-1200 erkennt die Teile über ihr Höhenbild, sollte aber immer mit Originalteilen in der schlechtesten Farbe und Charge getestet werden.

F Was passiert mit Zwischenlagen und Netzen in der Kiste?

Zwischenlagen und transparente Netze gehören ausdrücklich ins Lastenheft, denn viele 3D-Sensoren erfassen ein transparentes Netz kaum. In der Praxis entfernt entweder der Roboter die Lage mit einem geeigneten Sauger, ein Werker übernimmt es im Rahmen anderer Tätigkeiten, oder die Verpackung wird angepasst. Ungeklärt führt dieser Punkt regelmäßig zu Störungen bei der Inbetriebnahme.

F Wie schnell arbeitet eine Bin-Picking-Zelle für Kunststoffteile?

In dokumentierten Anwendungen liegen die Pick-zu-Pick-Zeiten zwischen etwa 5 und 45 Sekunden, abhängig von Teilegröße, Greifkonzept und Ablage. Gibt der Spritzgusstakt den Rhythmus vor, muss die Zelle oft nur alle 30 Sekunden ein Teil liefern. Die erreichbare Taktzeit sollte im Machbarkeitstest mit dem realen Teilespektrum gemessen werden, nicht geschätzt.

F Warum ist die Ablage oft schwieriger als der Griff in die Kiste?

Der Pick verlangt nur einen sicheren Griff, die Ablage dagegen eine definierte Orientierung mit engen Toleranzen, etwa in einer 32-fach-Bestückmaske oder einer Maschinenaufnahme. Häufig braucht es eine Umorientierung über eine Zwischenablage und eine Lagekontrolle vor dem Fügen. Ein schief sitzendes Teil stoppt die Zelle genauso wie ein Fehlgriff.

F Lässt sich die Kiste vollständig leeren?

Der Entleerungsgrad ist eine harte Anforderung, denn eine Kiste, die von Hand nachgeleert werden muss, spart keinen Werker ein. Teile in Ecken und an den Kistenwänden sind greiftechnisch am schwierigsten und müssen im Machbarkeitstest ausdrücklich geprüft werden. In realen Projekten wird die Restentleerung bis auf wenige Teile gefordert.

F Mit welchen Robotern arbeitet ein 3D-Bin-Picking-System zusammen?

Die Anbindung ist markenunabhängig. Greifkoordinaten und Bahnen werden über Profinet, EtherCAT oder TCP/IP an gängige 6-Achs-Roboter, SCARA und Cobots übergeben, bei Bedarf direkt an die Robotersteuerung ohne Umweg über die SPS. Voraussetzung ist eine saubere Kalibrierung zwischen Kamera- und Roboterkoordinatensystem, die auch einen Standortwechsel der Zelle überstehen sollte.

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