Delftse vinding belooft hogere precisie en compactheid voor robots

Jack Schorsch vond op de TU Delft een elementair mechanisch bouwblok opnieuw uit. Zijn startup IMSystems ontwikkelt deze vertragingstechnologie nu onder de naam Archimedes Drive en staat op het punt om op te schalen. De vertragingsbakken beloven door hun nauwkeurigheid en compactheid een game change in de robotica. Schorsch over zijn kindje en de lastige zoektocht naar de daadwerkelijke behoefte van klanten – in zijn geval robotleveranciers.

René Raaijmakers

Op de Rijswijkse vestiging van IMSystems, tegenover tramstation Verffabriek, neemt Jack Schorsch de tijd voor een uitgebreid gesprek in een stiltecabine bij de r&d- en testruimtes. Net terug van een conferentie in Zuid-Korea maken hij en zijn team zich alweer klaar voor de Global Robot Expo in Madrid. We hebben uitzicht op een teamgenoot die het laatste programmeerwerk verricht aan een demo die in de Spaanse hoofdstad te zien zal zijn: een deltarobot met de vertragingskasten van de Delftse startup.

In Spanje zal IMSystems (Innovative Mechatronic Systems) ook aankondigen dat het gaat opschalen. Het bedrijf kondigt daar aan dat partner Linamar in de eerste helft van 2023 de productie van IMSystems’ Archimedes Drives gaat opstarten, de nauwkeurige en compacte versnellingsbakken die een game change beloven in de robotica.

Terwijl het Canadese Linamar de productie in gang zet, concentreert de Delftse startup zich op research, levensduurtesten en service. Voor deze fase ontving IMSystems afgelopen oktober 9 miljoen euro van de European Innovation Council (EIC), waarvan 6,5 miljoen van de Europese Investeringsbank.

De EIC gaf de Archimedes Drive-innovatie een prominente plaats in de berichtgeving rondom deze toekenning, waarvoor duizend Europese ondernemingen een aanvraag hadden ingediend en 232 bedrijven werden geïnterviewd. IMSystems kreeg een vermelding in de top van de 75 innovatieve start-ups die samen in totaal 397 miljoen euro verdelen.

Vijf jaar lang tachtig uur per week

Schorsch studeerde werktuigbouw aan de Tulane universiteit in New Orleans. Na een korte periode bij het medisch centrum op de Loyola-universiteit en het behalen van zijn masterdiploma aan de Universiteit van Zuid-Californië in Los Angeles ging hij aan de slag als researchmanager bij het Rehabilitation Institute van de Northwestern University in Chicago. ‘We werkten daar aan hulpmiddelen voor soldaten die traumatische amputaties hadden ondergaan tijdens de oorlog in Irak en Afghanistan. Dat stond destijds centraal in het Amerikaanse beleid in die tijd.’ Darpa-projecten zorgen in de VS voor een forse carrièreboost, zegt hij. ‘Maar het is ook ongelooflijk intens. Ik werkte vijf jaar lang tachtig uur per week.’

Na afloop liet hij zijn netwerk weten dat hij toe was aan iets nieuws. Daarop kreeg hij bericht uit Delft: onderzoekers nodigden hem uit om op de technische universiteit een promotie te doen en tegelijk te doceren. ‘Het leek me echt een fantastische kans en ik kende een aanzienlijk deel van de afdeling door mijn eerdere professionele contacten met hen.’

In de Darpa-projecten had hij gezien dat aandrijvingen en vertragingsbakken in draagbare robotica een groot probleem vormden. ‘Daardoor besloot ik om mijn doctoraat te doen in biomedische werktuigbouwkunde en me te richten op aandrijvingen.’

En cultureel? Hij moet lachen. ‘Mijn moeder is half Nederlands. Het huishouden waarin ik opgroeide had veel Hollandse eigenaardigheden en manieren van doen. In dat opzicht was hier komen wonen en werken voor mij een eitje.’

Wolfram drives

Bij Darpa werkte hij aan Wolfram drives, een type snelheidsregelaar die compact is, maar weinig efficiënt en lastig te produceren. Ze werden vroeger veel gebruikt in radarsystemen. Die kunnen toe met een lage koppel, maar vragen wel een hoge nauwkeurigheid. In Delft kwam hij op het idee om in dit soort drives de tandwielen weg te laten en de kracht via wrijving over te brengen. Daarmee was de Archimedes Drive geboren.

‘In traditionele tandwielkasten moeten de tanden perfect zijn. Als je het over productie hebt, dan weet je: niets is perfect. Er zijn altijd toleranties en variaties. Bij ronde oppervlakken heb je meer tolerantie. Het verkrijgen van een goed tractiecontact met rollen in een Wolfram-aandrijving, daar zat mijn echte doorbraak.’

Om tandloos kracht over te brengen is wrijving nodig tussen het centrale ‘zonnewiel’ en de ‘planeten’. ‘We boren een gat door het centrum van de massief stalen planeten. Dan krijg je een cilinder van staal die een beetje buigzaam is. Een beetje als een veer. Een zeer, zeer stijve veer, maar het is een veer. In het systeem is die cilinder van staal samengedrukt. Slechts 50 tot 100 micron, het zet niet teveel spanning op het materiaal.’ De ronde vormen zorgen er ook voor dat het systeem te fabriceren is. ‘Voor een consistente productie zit het ruim binnen de toleranties.’

Schorsch legt uit dat het principe van rollende overbrenging met wrijving in het verleden is toegepast, maar altijd met massieve cilinders. ‘Dan zit alle compressie aan het oppervlak en zijn de tolerantie-eisen uitzonderlijk hoog. Dat was altijd de grote uitdaging bij hoog-vermogen toepassingen, want bij zeer hoge krachten heb je weinig speelruimte in maatvoering. Deeltjes van een micron creëren al extreem hoge spanningsvariaties in zo’n systeem. In onze Archimedes Drive zijn de cilinders veel beter bestand tegen vuil. Ze zijn bovendien veel toleranter voor onvolkomenheden.’

Het type smeermiddel hangt af van de applicatie, maar soms zijn lubricatoren niet nodig. ‘Het hangt af van de toepassing. Met smeermiddelen kun je veel meer kracht door je systeem persen. Tussen de contactoppervlakken blijft er geen smering over, het blijft een hard metaalcontact. Olie of vet wordt er helemaal uitgedreven. Dat trekt wel warmte uit het systeem. Dat is het belangrijkste: het koelt de contactpunten en dat betekent dat het systeem veel sneller kan draaien zonder schade aan de oppervlakken.’

Focus op robotmarkt

IMSystems focust met zijn vertragingskasten op de robotmarkt. Daar kan het echt veel waarde toevoegen. ‘Door het continue contact is de nauwkeurigheid van ons systeem hoog. Door het continue mechanisch contact, zit er geen speling in ons systeem. Doordat de rollen zo stijf zijn, is er weinig bewegingsverlies.’ Bij een traditionele versnellingsbak geeft de motor koppel aan de ingang, waarna de tandwielen een voor een in elkaar grijpen en beginnen te bewegen. ‘Dat heet ‘verloren beweging’. In ons systeem is dat nagenoeg afwezig. Het is veel stijver. Als de motor de koppel inzet, dan beweegt alles vrijwel meteen. Daarmee krijg je een heel nauwkeurig en controleerbaar systeem dat heel waardevol is voor industriële robots. Het brengt zeer nauwkeurige bewerkingen dichterbij.’

Vooral de klanten van robotbouwers begrijpen

Het leren van marktmechanismes, begrijpen hoe je waarde kunt creëren voor klanten, behoorde tot Schorsch’ grootste uitdagingen. ‘We moesten robotontwikkelaars begrijpen, maar vooral hun klanten. Want als je een robotfabrikant vraagt, dan willen ze gewoon een versnellingsbak die beter is dan wat ze hebben.’

Om er echt diep in te duiken deed Schorsch een beroep op zijn netwerk. ‘Het in kaart brengen van de markt is vrij gemakkelijk’, lacht hij. ‘Verreweg de grootste kopers van robots zijn autofabrikanten.’ Hij hoorde over hun meedogenloze strategie. ‘Ze zijn volledig gericht op kosten en het maakt ze helemaal niet uit welke robot er in hun nieuwe fabrieken komt, als het maar goedkoper kan. Het is een van de meest brute industrieën die er zijn.’

Voor IMSystems is die houding een voordeel: in zijn zoektocht naar efficiëntie en kostenverlaging hunkert de automotive industrie naar kennis. ‘Ze willen het begrijpen. Voordeel is dat we niet direct aan hen leveren. Vanuit dat perspectief kunnen we relatief makkelijk met ze praten. We zitten niet met ze aan de onderhandeltafel.’

Voor robotleranciers als ABB en Fanuc is dat anders. Zij staan onder druk om voortdurend goedkoper, sneller en beter te zijn. ‘Iedereen weet: de meeste dingen worden duurder in de loop van de tijd, maar een auto niet. Fabrikanten vragen elk jaar kostenverlagingen. Waar ze nu duizend euro aan uitgeven, willen ze over een jaar voor 900 euro. Daarover hebben we zeer interessante discussies over alles wat hen kostenbesparingen kan opleveren. Voor ons gaf dat nauwelijks druk. Het maakt automobielfabrikanten niet uit hoeveel wij verdienen. Hun doel is een goed contract met robotleveranciers.’

Breekijzer in gesprekken met robotfabrikanten

Die kennis bleek een breekijzer in de contacten met robotfabrikanten. ‘Het was echt nuttig om businessunit-eigenaren binnen robotbedrijven te kunnen vertellen naar welke eigenschappen hun klanten op zoek zijn. Natuurlijk weten ze dat, maar wij konden dat verhaal vanuit een ander perspectief vertellen: Dit soort robots zouden jullie met onze drives kunnen bouwen. Het helpt ons enorm in de gesprekken.’

Ook spraken Schorsch en zijn mensen veel met robotintegratoren. ABB, Kuka of Fanuc verkopen hun robots namelijk niet direct aan BMW of Ford. ‘Autofabrikanten vertellen systeemintegratoren wat hun eisen zijn. Ze zeggen: ik wil een las-cel die X onderdelen per uur kan maken en het moet passen bij de andere modules in mijn assemblageproces. De integrator bekijkt alle merken robots, van alle verschillende leveranciers, beschikbaarheid, de nauwkeurigheid en daarna maakt hij een voorstel voor de automatiseringscel. Zij hebben dus een goede kennis van de technische mogelijkheden, van wat klanten echt zoeken in termen van output op systeemniveau. Zij bieden veel inzicht in wat hun klanten verwachten.’

‘Interessant is dat autofabrikanten meestal per robotcel betalen. Het gaat om de goedkoopste productie per specifiek onderdeel. Wat er in die cel zit doet er niet toe, zolang het maar de juiste productiviteit en prijs oplevert. ABB, Kuka of Fanuc, het maakt ze niet uit.’

Zo komen we weer bij IMSystems, want als ABB een robot kan leveren die twee maal nauwkeuriger is, dan winnen ze opdrachten bij systeemintegratoren. ‘Onmiddellijk, niemand voelt zich gebonden aan een specifiek merk.’

ABB

IMSystems heeft intussen relaties met verschillende robotleveranciers. De grootste daarvan is de robotactiviteit van ABB. ‘Het is een van onze investeerders en daarnaast onze belangrijkste technische partner. Met hen bespreken we talrijke afwegingen voor toekomstige robots. Welke compromissen sluit je? Wat is de gewenste snelheid en wat betekent dat voor de nauwkeurigheid? Daarna kan ABB terug naar zijn klanten met een voorstel voor een verhoogde nauwkeurigheid en snelheid. Het is zeer complex. De specificaties die wij in onze versnellingsbak vastleggen, worden uiteindelijk door autofabrikanten gebruikt. De robotbouwer zit daar tussenin.’

Laspunten bepalen metaaldikte

Een hogere verwerkingscapaciteit op een automotive assemblagelijn vertaalt zich meteen in besparingen. Maar kostenverlagingen zitten niet alleen in snelheid. Ook nauwkeurigheid kan een aanzienlijke bijdrage leveren, want het maakt materiaalbesparing mogelijk. Schorsch: ‘Puntlassen is de grootste robottoepassing in de auto-industrie. De nauwkeurigheid van de laspunten bepalen de metaaldikte van het chassis. De dikte is op dit moment ruimer dan nodig om het te kunnen lassen. Voor de veiligheid en crashbestendigheid mag het best dunner zijn, maar daarvoor zijn de puntlassen op dit moment onvoldoende nauwkeurig te plaatsen. De structurele sterkte is dan niet gegarandeerd.’

Als puntlassen wel preciezer zijn te plaatsen, dan kan het plaatwerk van het chassis dunner worden. ‘Met twintig procent dunner materiaal zouden de kostenbesparingen al enorm zijn.’

Schorsch claimt dat robots met de Archimedes Drive-technologie hun gereedschap een nauwkeurigheid van vier micron kunnen positioneren. De reden is de extreem hoge stijfheid van de tandwielkast en het feit dat er geen speling in het systeem zit. Schorsch: ‘We kunnen de hoekpositie bereiken tot onder de boogseconde (1/3600e van een graad). Daarmee zitten we ruim onder de micron bij de gereedschapspunt, hoewel er natuurlijk altijd wat speling elders in het systeem zit.’

De ultieme droom in de autoassemblagestraat is continu-lassen. ‘Hoe dunner het metaal, hoe meer puntlassen nodig zijn. Met een continue booglas of laserstraallas kun je de dikte minimaal maken. Daarvoor moet je met hoge nauwkeurigheid langs een zeer complex pad in de ruimte bewegen. De meeste robots zijn daar niet zo goed in. Met de huidige snelheid in een assemblagestraat zouden typische nauwkeurigheden voor padvolging tienden millimeters bedragen, honderd keer slechter dan de padnauwkeurigheid die in theorie met onze drives bereikbaar is. Complexe driedimensionale padvolgsystemen zijn met continu lassen wel haalbaar, maar dan beweegt de robot onacceptabel traag.’

De potentiële nauwkeurigheid in combinatie met snelheid trekt ook veel aandacht van specialisten in robotbewerking. Door verspaningsgereedschap te combineren met industriële robots, zouden die veel werk van traditionele vijf-assige CNC-machines kunnen overnemen. ‘Als je nauwkeurig gaten wilt maken in een groot onderdeel, dan heb je een forse CNC-machine nodig met zeer duur gereedschap. Als je geen micron-nauwkeurigheid nodig hebt voor die gaten, dan kan je dat met een robot bereiken en ben je veel flexibeler. Als je gaat boren op een werkstuk dat al geassembleerd is, in plaats van voordat je het samenstelt, dan win je zelfs in nauwkeurigheid.’

Externe productie no-brainer

De keuze voor externe productie was een no-brainer. De fabricage van de Delftse vertragingskasten is vergelijkbaar met die van rollagers, geen activiteit met hoge marges. ‘Het is wel kapitaalsintensief en je moet ook heel specifieke kennis opbouwen’, zegt Schorsch. ‘Dat zou met onze relatief lage volumes niet lukken. We keken ernaar, maar zagen heel snel dat het niet paste. Externe expertise biedt daar veel voordelen.’

Zijn huidige productiepartner Linamar kwam uit eigen beweging. Het Canadese bedrijf (omzet 4,7 miljard euro in 2021) maakt vertragingskasten en versnellingsbakken voor automotive, landbouwmachines en andere markten die krachtoverbrenging vragen. Het hightech metaalbedrijf is steeds op zoek naar diversificatie voor zijn precisieproductie en investeerde twee jaar geleden in IMSystems. Schorsch: ‘Industriële robots zagen ze als een prachtige kans en wij krijgen er veel voor terug. Naast kennis in echt grootschalige productie ook zakelijk inzicht in de automotive markt. Zij produceren op een schaal waar leveranciers van roboticaonderdelen nog niet aan toe zijn.’

Linamar brengt kennis om op te schalen en kan in massa produceren. Beide zijn grote voordelen voor een starter die schaalgrootte zoekt. ‘We hebben daardoor een goed idee van bereikbare kosten. Versnellingsbakken begrenzen momenteel de prijsverlaging van robotarmen. De robotica-industrie worstelt daar nu mee. Een goed voorbeeld is Universal Robots. Die zijn zeer kostengericht, maar hun robots zijn nog steeds vrij duur voor de taken waarvoor ze zijn ontworpen. Ze gebruiken precies dezelfde tandwielkasten als zeer dure industriële robotarmen. Ze krijgen nu alleen een goede prijs omdat ze slechts een handvol maatvoeringen gebruiken in al hun robots. Maar ze verkopen geen aantallen zoals in automotive, dus kunnen ze de kosten niet echt verder omlaag brengen.’

Productiekosten gaan richting rollagers

Over mogelijke kostenbesparingen die robotbouwers kunnen bereiken met IMSystems’ drives wil Schorsch niet in detail treden. Een hint wil hij echter wel geven door de productie van het meest complexe onderdeel van de Archimedes Drives-kasten te vergelijken met die van harmonische overbrengingen. Het moeilijkst te produceren onderdeel van zo’n strain wave gear is een roterende elliptische rol met fijne vertanding (die aansluit op de interne vertanding van een buitencilinder). ‘Fabrikanten doen erg geheimzinnig over de productie, maar ik hoor schattingen van 20 tot 40 minuten bewerkingstijd per rol. De uitvalspercentages zijn bovendien vrij hoog. Wij gebruiken ook roterende vervormbare rollen, maar zonder tanden. Onze bewerkingstijden liggen ruim onder de minuut met nauwelijks uitval.’ Nog een indicatie: ‘Als je onze drives bekijkt, dan zien ze eruit als rollagers. Daar gaan ook de productiekosten naar toe, iets hoger, maar niet veel.’

Om die kostenvoordelen ook echt te bereiken, moet de roboticamarkt tien keer zo groot worden, schat Schorsch. Met een groei in de robotmarkt van 15 procent per jaar is binnen vijf jaar aan die voorwaarde voldaan. De ontwikkelingen in cobots moeten we volgens Schorsch in de gaten houden, want deze markt breekt volgens hem echt door als de onderdelen goedkoper worden. ‘Cobots doen typisch laagwaardige, laagvolume taken. Vervelend repeterend werk, zoals flessen in een doos zetten bij een klein bedrijf. Saai voor mensen, maar nog niet geautomatiseerd, omdat dat niet rendabel is. Ik denk dat dit een van de grote groeimarken wordt van de robotica.’