Fertigungsautomatisierung: ‚Green‘ von Beginn an Ideengeber Rüssel

Fertigungsautomatisierung: ‚Green‘ von Beginn an

Ideengeber Rüssel

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Ein erfolgreiches Produkt zeichnet sich künftig auch durch einen geringen Energie- und Ressourcenverbrauch aus. Die Bionik liefert den Ingenieuren hier wertvolle Vorbilder, seien es Rüssel, Flossen oder der menschliche Arm. Das gilt auch für die Fertigung, denn die Bilanz über den Lebenszyklus der Produkte hinweg schließt ihre Herstellung mit ein.

Für die ‚Green Automation‘, also energie- und ressourceneffiziente Fertigungstechniken, liefere die Natur ein riesiges Potenzial von Lösungsansätzen, ist Truong Le überzeugt. Der Wissenschaftler des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) nennt als Beispiel den Leichtbau. „Elektro- und Hybridfahrzeuge sind noch viel zu schwer, um sich langfristig durchzusetzen.“ Gefragt seien leichtere Materialien. „Das kann Aluminium sein, doch macht dessen energieintensive Herstellung den Erfolg teilweise wieder zunichte“, so Le weiter. „Denn letztlich muss der gesamte Produktlebenszyklus – von der Fertigung bis zum Recycling – betrachtet werden, um die Effizienz eines Produktes zu beurteilen.“ Nur eine ‚grüne‘ Fertigung führe auch zu ‚grünen‘ Produkten. Besser seien deswegen, je nach Anwendung, Naturfaserverbundmaterialien, auch wenn hier noch einige Forschungsarbeit zu leisten sei.

Um Vorbilder der Natur schneller zu finden, haben die Stuttgarter das Software-Werkzeug ‚BioPat‘ entwickelt. „Es übersetzt technische Fragestellungen in biologische und durchforstet die Forschungsliteratur nach existierenden Lösungen der Natur“, erläutert der IAO-Forscher. Bislang nur bei den Stuttgartern intern im Einsatz, kann es über die Beratungsdienstleistung des Fraunhofer-Instituts auch Einzug in die F&E-Abteilungen der Industrie halten.
Kernelement von BioPat ist ein Wörterbuch, das technische Begriffe in biologische übersetzt und zurück. Anders formuliert: Wer bionische Lösungen zu Begriffen wie ‚Automatisierung‘ oder ‚Greifer‘ sucht, muss diese zunächst in biologische Ausdrücke ‚übersetzen‘, um Publikationen aus der Biologie auswerten zu können. So lassen sich beispielsweise dem Thema ‚Mikrobefestigung‘ in der Biologie die Begriffe Haftorgan, Saugkraft, Haftmittel von Bakterien, Schweinebandwurm und Vielfachzucker (Polysaccharide) zuordnen. „Das ist zunächst die grundlegende Schwierigkeit, da wir als Ingenieure biologische Fachausdrücke nicht direkt verstehen“, berichtet Truong Le. Mit BioPat könne man diese Aufgabe lösen und dann gezielt per Suchmaschine bestimmte Webseiten mit biologischen Inhalten durchforsten. „Auch beim Interpretieren der Ergebnisse ist unser Wörterbuch hilfreich, weil es uns erlaubt, schnell das Wesentliche zu erfassen – ähnlich einer bilingualen Zeitschrift beim Erlernen einer Sprache.“
Welches Lösungspotenzial sich erschließen lässt, wenn die Bionik zum Zuge kommt, zeigt eindrucksvoll der Leichtbauroboterarm ‚Isella 2‘ der Forscher des benachbarten Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Ausgangspunkt war hier zunächst das Ziel der Entwicklung einer kostengünstigen seriellen Robotermechanik aus weichen Strukturelementen, angestoßen durch das interne Forschungsprojekt ‚Rüsselroboter‘, berichtet Kai Pfeiffer, Gruppenleiter in der Abteilung Robotersysteme des IPA, „die Idee dazu lieferte der Elefantenrüssel.“
Ein erster Entwicklungsschritt war zunächst die Entwicklung eines neuen Antriebsprinzips. „Der sogenannte DoHelix-Muskel besitzt als Elektromuskel ähnliche Eigenschaften wie ein biologischer Muskel“, fährt IPA-Wissenschaftler Pfeiffer fort. „Durch das Aufwickeln und damit Verkürzen einer zugfesten Schnur lässt sich eine Seilkraft erzeugen.“ Ein hochfestes und flexibles Kunstfaserseil wird dazu in Form einer doppelten Helix (daher der Name ‚DoHelix‘) von zwei Seiten auf eine dünne Motorwelle gewickelt. „Da sich auf diese Weise die Seilkräfte gegenseitig kompensieren, wird die Antriebswelle nur geringen Biegekräften ausgesetzt, was entsprechend kleine Wellendurchmesser erlaubt; zusätzlich entfallen die sonst üblichen schweren Übertragungselemente, was das Antriebsgewicht weiter reduziert.“ Mit dieser Konstruktion lassen sich hohe Kräfte mit kompakten Elektromotoren erzeugen.
Auch wenn das ursprüngliche Konzept der rüsselartigen Kinematik aufgrund der dafür erforderlichen hohen Zahl von Antrieben und damit verbunden einer hohen Masse verworfen wurde, entstand unter Verwendung des neuen Antriebskonzepts am Fraunhofer IPA der biologisch vom menschlichen Arm inspirierte Manipulatorarm Isella mit fünf Freiheitsgraden. „Ein wichtiger Schritt hin zum Folgemodell Isella 2 war dann die Weiterentwicklung des DoHelix- zum QuadHelix-Antrieb“, erläutert IPA-Projektleiter Arne Rost. „Indem wir zwei DoHelix-Seile nutzen, die gegenläufig auf demselben Wellenabschnitt laufen, kann ein Motor eine Rotationsachse im und gegen den Uhrzeigersinn oder eine Linearachse vor und zurück bewegen.“ Der Vorteil dieses Konzepts sei wiederum das geringere Gewicht des Antriebs, die energieeffiziente Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie durch die Kraftübertragung mit hochfesten HMPE-Faserseilen sowie das resultierende hohe Moment am Abtrieb.
Der Prototyp des modularen Isella-2-Leichtbauroboters ist aus zwei QuadHelix-Antriebsmodulen mit je zwei Freiheitsgraden und einem institutseigenen, 2,5 kg wiegenden Greifer mit drei Freiheitsgraden aufgebaut. Zusammen mit dem 8,5 kg leichten Arm mit vier Freiheitsgraden lassen sich 5,5 kg Zuladung anheben.
Mit durchschnittlich 80 W Leistungsbedarf bei einer typischen industriellen Pick&Place-Applikation verbraucht der Isella 2 deutlich weniger Energie als klassische Industrieroboter. Denkbare Anwendungen sind der Einsatz als Manipulatorarm auf einer autonomen Serviceroboterplattform oder als Handlingeinheit in kleinen und mittleren Unternehmen. Zudem eignen sich die verbauten Antriebsmodule für die verschiedensten Automatisierungslösungen.
Was sich bei Handlingeinheiten mit Hilfe der Bionik erreichen lässt, demonstriert auch der zur Hannover Messe vorgestellte Bionic Tripod mit FinGripper der Esslinger Festo AG & Co. KG. Grundlage ist hier die sogenannte Fin-Ray-Struktur (Flossenstrahlstruktur), deren Vorbild das Verhalten von Fischflossen ist. Der adaptive Greifer umschließt das zugreifende Werkstück ähnlich wie eine Hand. Speziell bei Handhabungsaufgaben mit zerbrechlichen oder unregelmäßig geformten Gegenständen lässt sich das nutzen.
„Die drei pyramidenförmig angeordneten Arme des BionicTripod können einen Greifer innerhalb eines großen Arbeitsraums schnell und flexibel positionieren“, erläutert Markus Fischer, Leiter Corporate Design bei Festo. „Dabei bleibt der Arbeitsraum selbst frei, was Anlagenbauern und Maschinenentwicklern sehr entgegen kommt.“ Das geringe Gewicht der Einheit ermöglicht wiederum eine hohe Energieeffizienz. „Gegenüber herkömmlichen Systemen sparen wir beim BionicTripod bis zu 90 Prozent der bewegten Masse ein“, so Fischer weiter.
Wie die Forscher des Fraunhofer-IPA arbeitet übrigens auch Festo an einem Technologieträger für Assistenzsysteme der Zukunft – dem AirArm. „Um Menschen in ihrem Arbeitsbereich aktiv zu unterstützen, ohne sie zu gefährden, werden hohe Anforderungen an Dynamik, Nachgiebigkeit und Greifertechnik gestellt“, berichtet Fischer. Die klassische Handhabungstechnik und Robotik könne diese nicht erfüllen, da sie eher auf Steifigkeit und Positioniergenauigkeit ausgelegt sei – was zu strukturbedingt großen Massen führe. „Inspiriert durch die Natur, wollen wir deshalb mit dem AirArm die Vorteile der menschlichen Armbewegung in Dynamik und Nachgiebigkeit nutzbar machen, unter Verwendung von Industriekomponenten aus der Automatisierungstechnik.“ So soll der Technologieträger helfen, Assistenzroboter an der Schnittstelle von Mensch und Maschine zu ermöglichen und in der Werkstattfertigung zum Einsatz kommen.
Bei ihrer Suche nach Vorbildern aus der Natur mit der BioPat-Software haben die Stuttgarter Wissenschaftler des Fraunhofer IAO übrigens eine interessante Erfahrung gemacht. „Obwohl das Werkzeug ursprünglich für Fragestellungen der Bionik entwickelt wurde, können wir es heute viel breiter einsetzen“, erläutert Frieder Schnabel, der das Projekt zusammen mit Truong Le bearbeitet. „Bei den uns gestellten Aufgaben ist es letztlich egal, woher eine Lösung kommt.“ Neben biologischen Daten werten die Stuttgarter deshalb mit BioPat auch industrieübergreifend technische Infos aus, etwa aus Patentdatenbanken. „Entscheidend ist letztlich, wie sich der kreative Prozess – zu neuen Lösungen zu kommen – am besten unterstützen lässt“, ergänzt Le. „Zumal es Technikfelder gibt, in denen wir bislang keine Lösungen in der Natur finden – etwa bei der Fernsteuerung.“
Michael Corban Fachjournalist in Nufringen

Neue Technologien
Auch wenn die Bionik nicht mehr ganz neu ist, sprechen zwei Punkte für sie. Erstens die extrem lange Zeiträume umfassende Erfahrung, die in der Evolution der Vorbilder steckt, und zweitens die Tatsache, dass beim Suchen nach biologischen Vorbildern festgefahrene Denkmuster aufgebrochen werden. Beides Aspekte, die helfen, auch zukünftig Innovationsführer zu bleiben.
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