Form-Flexibles Greifsystem für die Leichtbauproduktion

Elektrostatisch nach der Stoffbahn greifen

Formadaptive und ortsaufgelöste Greifsysteme ermöglichen eine effiziente Produktion belastungsoptimierter Leichtbaukomponenten mit verschiedenen Materialien und Geometrien durch Reduzierung der Rüstvorgänge und präziser Greifgutpositionierung. Das Fraunhofer IPT entwickelte dazu hoch flexible elektrostatische Greifsysteme.

Abbildung 1 und 1a: Starre Greifelektrode zur Handhabung...

Derzeit entwickeln sich Produktionsprozesse zur Herstellung Faserverstärkter Kunststoffe (FVK) sowie die dort eingesetzten Materialsysteme mit dem Ziel der Reduzierung der Produktionszykluszeit rasant weiter. Schnell aushärtende Epoxidharze, hochreaktive Polyurethane und die Einführung des Hochdruck-RTM- sowie Spaltimprägnier-Verfahrens ermöglichen eine Zykluszeit der Injektion und Aushärtung unterhalb von drei Minuten.

Verkürzungen nicht überall

Allerdings konnten ähnliche Prozessverkürzungen nicht überall in der duroplastischen RTM-Prozesskette erreicht werden. Die Nutzung des etablierten Injektionsprozesses erfordert die vorangeschaltete Herstellung formangepasster nicht-imprägnierter textiler Halbzeuge. Zur Herstellung dieser Halbzeuge, genannt Preforms, sind reproduzierbare Vereinzelungs-, Manipulations-, und Drapierprozesse notwendig. Insbesondere Kleinserien fordern markterhältliche flächenvariable Produktionssysteme zur Entnahme geometrisch unterschiedlicher Zuschnitte von computergesteuerten Schneidmaschinen, wenn belastungsoptimierte Bauteile hergestellt werden sollen. Der Kostenanteil zur Herstellung eines Preforms kann konkret mit 50 bis 60 Prozent der gesamten Bauteilkosten bei Nutzung von Infusions- und Injektionstechniken beziffert werden.

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Vakuum ist das übliche

In Praxis und Forschung wird dabei vielfach auf Vakuum- oder Nadelgreifersysteme zurückgegriffen [PIEP06] [Ger13]. Es zeigt sich jedoch, dass die Hauptanforderung eines automatisierbaren Greif- und Drapiersystems das quasi-flächige Greifen sowie die Einleitung eines definierbaren Kraftmusters darstellt. Damit kann sichergestellt werden, dass luftdurchlässige oder leicht zerstörbare Textilien ohne Schädigung der Faserstruktur gehandhabt werden können.

Diese Leistungsmerkmale können durch das elektrostatische Greifprinzip erreicht werden. Die industrielle Anwendung der Greiftechnologie für die kunststoffbasierte Leichtbauindustrie wird durch stetige Entwicklungsarbeiten seit 2007 am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen realisiert. Damit hat sich das Fraunhofer IPT als führendes Forschungsinstitut bei der Anwendung der elektrostatischen Greiftechnologie in der Leichtbauproduktion etabliert.

 Elektrostatisches Greifprinzip

Das elektrostatische Greifprinzip basiert auf dielektrischer Polarisation [Oh98], wobei durch Ladungsschwerpunktverschiebung quasi-flächige Anziehungskräfte zwischen Greifer und Halbzeug erzeugt werden. Eine quasi-flächige Krafteinleitung in das Greifgut ermöglicht das automatisierte Greifen sensibler technischer Textilhalbzeuge, wie z.B. Gelege, Vliese oder Rovings. Das Greifen von biegeschlaffen, starren, oberflächendichten, porösen, elektrisch leitenden und nicht leitenden Materialien ist möglich, da abhängig von der Leitfähigkeit des Greifgutes eine Ladungsschwerpunktverschiebung per Influenz (z.B. Kohlenstofffasern) oder Polarisation (z.B. bei Glasfasern) stattfinden kann.

Aufgrund des Grundverständnisses für die Wechselwirkungen zwischen elektrischer Feldausbreitung, Eigenschaften des Greifguts und wirkender Greif- und Abzugskraft ist eine Entwicklung der Greifertechnologie möglich. Die Greifkrafterzeugung auf Basis der Elektroadhäsion wird mittels des Coulomb’schen Gesetzes modelliert.

 Ablösemechanismus ist Voraussetzung

Das Fraunhofer IPT in Aachen untersucht bereits seit Jahren verschiedene aktive und passive Funktionsprinzipien zum Ablösen von Greifgütern und deren Integration in die Systeme. Erst die Integration eines prozesssicheren Ablösemechanismus ermöglicht den zuverlässigen industriellen Einsatz, da Polarisationseffekte nach Abschalten der Polarisationsspannung bestehen bleiben und undefiniert neutralisiert werden.

 Vorteile beim Einsatz in der Leichtbauproduktion

Wesentlicher Vorteil der Greiftechnologie ist die Möglichkeit, das Design der Greifelektroden an die Anwendung anzupassen. Dies beinhaltet sowohl die Flächengröße und Form einzelner Felder als auch die abgebildeten Elektrodengeometrien. Zusätzlich zur Flächenvariabilität ist die Nutzung formflexibler Greifelektroden möglich, welche sich für die Aufnahme und das Ablösen an 2,5d- sowie 3d-Flächen eignet (siehe Abbildung 2). In Kombination mit einer adaptiven Greifkinematik besteht daher die Möglichkeit zur Überführung der Technologie auf komplexere Greif- und Drapieranwendungen.

Da die Feldwirkung in Greifguttiefenrichtung oberflächennah definiert ist, führt das elektrostatische Greifprinzip zu einer besonderen Eignung für Vereinzelungsprozesse technischer Textilien vom Stapel.

Die Nutzung elektrischer Hochspannungen von +/-10 kV ist für den Bediener ungefährlich, da die im System und der Greifelektrode gespeicherte Energie bei Direktentladung unterhalb der für den Menschen lebensgefährlichen Schwelle von 10 Ws liegt.

 Greifkraft als Funktion der Hochvoltspannung

Erste Untersuchungen zeigten, dass die Greifkräfte materialabhängig sind. Beim Handhaben von textilen Halbzeugen aus Glas- und Kohlenstofffasern wurden Greifkräfte von 2 N/m² bis zu 50 N/m² ermittelt und Abhängigkeiten zum Fasertyp, Faserarchitektur, Flächengewicht und Bindereinsatz aufgedeckt.

Abbildung 3 zeigt Funktionsverläufe zwischen Greifkraft und Greifspannung für vier verschiedene Materialien. Es wird angenommen, dass der logarithmische Verlauf aufgrund entstehender Widerstände der Ladungsverschiebung bei höheren Spannungen und der beschränkten Anzahl verfügbarer Ladungsträger auftritt, analog zum Phänomen der magnetischen Sättigung.

Die gemessenen Greifkräfte entsprechen einem Vielfachen des Greifguteigengewichts. Eine Flächengreifkraft von 40 N/m² entspricht einem Textil mit einem Flächengewicht von zirka 4 kg/m² bei vollflächigem Greifen. Beschleunigungskräften kann mittels vollflächiger flexibler Greifelektroden entgegengewirkt werden.

Beim Vergleich der Graphen in Abbildung 3 sind Unterschiede der minimalen notwendigen Greifspannung, der Anfangssteigung, der Sättigungsspannung95% und der maximalen Traglast sichtbar. Dabei wurde die Messung der material- und greifspannungsspezifischen Abrisskräfte in Normalenrichtung in Anlehnung an DIN EN ISO 527 und der Abzugsscherkräfte in Querrichtung in Anlehnung an DIN EN 1465 unter definierter Variation der Feldcharakteristik am Fraunhofer IPT durchgeführt.

Die Bezeichnung des elektrostatischen Greifers als flexibles Multifunktionsgreifsystem wird des Weiteren durch Greiftests mit über 50 verschiedenen Materialien bestätigt, darunter: AF-/GF-/CF-Gewebe, AF-/GF-/CF-Gelege, Organobleche, Kunststofffolien, Metalle, Papier/ Pappe/ Holz Damit sind verschiedenste Industrien adressierbar z.B. Automobil-, Luftfahrt-, Windenergie-, Batterie-, Solar-, Papier und Holzindustrie.

 Auslegung der Greifelektrode

Die Greifelektrode bildet einen wichtigen Bestandteil des elektrostatischen Greifers, da diese die Ausbildung des elektrischen Feldes definiert und im Kontakt mit dem Greifgut steht. Es wurden Optimierungen des Layouts bei starren und flexiblen mehrpoligen Elektroden durchgeführt.

In Abbildung 4 werden die Traglasten mehrerer starrer Kammelektroden mit verschiedenen Verhältnissen des Leiterbahnabstands zur -breite verglichen. Zu sehen ist, dass die Anpassung des Elektrodenlayouts zu einer deutlichen Verbesserung führt. Des Weiteren zeigt die Skalierung eines solchen Verhältnisses ebenfalls Einfluss auf die resultierende Greifkraft.

Die Untersuchungen zeigen, dass das elektrostatische Greifprinzip bei Anpassung der Auslegungs- und Einstellungsparameter ein flexibles Greifwerkzeug für die Produktion von morgen aufweist.

Systemlösungen vom Fraunhofer IPT

Die Prozesskenntnisse fließen direkt in die Systementwicklungsarbeiten des Fraunhofer IPT ein. Auf Basis einer ganzheitlichen Auslegung werden Gesamtanlagen unter Einbeziehung der Leistungselektronik, Sicherheitselektronik, Greifelektrode und dazugehöriger Greiferkinematik sowie Systemsteuerung entwickelt. Das Fraunhofer IPT liefert dabei die Auswahl einer für den Kunden passenden Lösung aus bestehenden Konzeptvarianten und individuellen Sonderlösungen.

Zusammenfassung

Auf Basis der gesammelten Erfahrungen und Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Kombination formflexibler und flächenvariabler Greifelektroden die automatisierte Produktion angepasster Preforms aus unterschiedlich großen Halbzeug-Zuschnitten ermöglicht und dadurch ein hohes industrielles Potenzial erschlossen werden kann. Durch die zusätzliche Integration neuartiger Ablösemechanismen ist die Handhabung technischer Textilien mit hoher Formflexibilität, niedriger Bauteilschädigung und hohem konstruktiven Freiheitsgrad möglich. C. Brecher, M. Emonts, H. Janssen, R. Schares, C. Kukla; alle Fraunhofer IPT/bw

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