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Probleme mit dem Greifen

Text: Prof. Dr. Jörg Reiff-Stephan, TH Wildau Fotos: Omergenc; TH Wildau
Einige Materialien sind automatisiert sehr schwer zu handlen. Sie sind zu schlaff, zu empfindlich oder zu beweglich. Herkömmliche Greiferarten können diese Stoffe durch ihre Beschaffenheit beschädigen. Hier ist Wissen um die Materialeigenschaften sowie die verschiedenen Handhabungsmöglichkeiten gefragt.

Selbst heute stellen eine automatisierte Bereitstellung und das Greifen biegeschlaffer Werkstoffe wie Schaumstoff, Gummi, Textil, oder FVK-Matten technische Herausforderungen dar. Überwiegend werden diese Prozesse noch manuell ausgeführt. Denn die Materialeigenschaften sowie die schwierigen Verrichtungen verhindern eine vollständige Automatisierung. Insbesondere bei ungewöhnlichen Aufgaben wie dem Greifen von faserverstärkten Materialien ist der Anwender oft gezwungen, nach Alternativen zu den herkömmlichen mechanischen oder pneumatischen Greifsystemen zu suchen. Die Anwendung von Greiftechnik bleibt jedoch zumeist auf Großserien beschränkt. Es fehlen die notwendigen Erfahrungen in diesem Bereich, um eine schnelle Lösung zu erarbeiten. Die Herausforderung ist Greiferkomponenten für den biegeschlaffen Bereich so zu gestalten, dass sie sich flexibel auf schnell ändernde Produktionsbedingungen einstellen können. Bei der Auswahl eines Greifers für eine bestimmte Aufgabe sollte man sowohl die zu handhabenden Gegenstände und das Handhabungsgerät, als auch das Fertigungsmittel und dessen vor- und nachgeschalteten Bereiche berücksichtigen.

Entwicklung und Forschung

Seit Jahren wird an der Entwicklung flexibler Greifwerkzeuge zum automatisierten Handhaben biegeschlaffer Materialien geforscht. Einen industriellen Einsatz finden sie jedoch eher selten, beim Einzelteiltransport von großflächigen Bauteilen in der Automobilindustrie. Für die Konfektionsindustrie wurden solche Systeme bisher nur prototypisch realisiert. Ausgehend von den physikalischen Wirkprinzipien lassen sich mechanische Greifer, pneumatische Greifer sowie Adhäsionsgreifer unterscheiden.

Mechanik und Pneumatik

Mechanische Greifern bringen Haltekräfte durch Kraft- oder Formschluss auf, es gibt Klettverschluss-, Nadel-, Klemmbacken- und Kratzengreifer. Erstere besitzen auf der Kontaktfläche eine hohe Anzahl kleiner Häkchen, die sich beim Greifvorgang mit der textilen Oberfläche formschlüssig verhaken. Lösen lässt sich der Greifer von der Kontaktfläche nur schwierig. Zudem wird die Textiloberfläche meist stark beschädigt.Nadelgreifer stechen eine feine gerade oder gebogen Nadeln in gegenläufiger Richtung in das Material und erzeugen eine Spannkraft im Textil. Wird die Einstechtiefe der Nadeln nicht genau justiert, können die Nadeln durch das Bauteil durchstechen und mehrere Textillagen erfassen. Auch hier wird das Material beschädigt, aufgrund von Fadenverschiebungen oder -brüchen auf der Oberfläche. Dazu kommt eine zeitintensive Nadeljustierung bei wechselnden Materialdicken.Kratzengreifer bestehen aus mehrschichtigen von U-förmigen Drähten durchstochenen Geweben mit vielen Kratzenenden. Zum Greifen werden zwei Wirkflächen gegeneinander verfahren. Dies erzeugt eine Spannkraft durch Oberflächenverhakungen der Kratzenenden mit den herausstehenden Fasern. Wie beim Nadelgreifer besteht der wesentliche Nachteil darin, dass diese Greifer die Fadensysteme verschieben und mit den scharfen Enden die Oberflächen der Bauteile beschädigen.Bei pneumatischen Greifern werden kraftschlüssige Haltekräfte durch Unterdruck erzeugt und das Bauteil an der Kontaktfläche festgesaugt. Sie können nur bei Materialien mit keiner oder geringer Luftdurchlässigkeit eingesetzt werden, wie Papier, Folien oder Leder. Setzt man die Haltekraft herab, verursacht das Funktionsstörungen durch eine starke Strukturierung der Materialoberfläche oder auch bei haarigen Textilien. Auch kann bei zu großem Volumenstrom eine Vereinzelung nicht gewährleistet werden. Praktische Bedeutung erlangten Sauggreifer bisher nur in Kombinationen mit mechanischen Greifern.

Kleben und einfrieren

Adhäsionsgreifer bilden eine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung durch Anhaften. Untersuchte Prinzipien sind elektrostatische Greifer, Adhäsionsfolien- und Gefriergreifer. Elektroadhäsive Greifer arbeiten mit elektrostatischen Feldern, Haltekräfte werden durch Polarisation erzeugt. Sie treten dabei nur auf der Oberseite des Bauteils auf, das sich in Kontakt mit dem Greiferdielektrikum befindet. Dieses Wirkprinzip ist daher gut für einen Vereinzelungsvorgang geeignet. Allerdings sind die Haltekräfte eher gering, was sie für die Praxis untauglich macht. Aktuelle Forschungsbemühungen führten bisher zu einer Lösung, deren Einsatz im Bereich der Handhabung faserverstärkter Kunststoffe geprüft wird. Geplant sei, den Greifermechanismus mit adaptiven Kinematiken zu kombinieren, um ein leistungsfähiges Gesamtkonzept für die Handhabungsaufgaben anbieten zu können. Bei Adhäsionsfoliengreifern wird ein Klebeband über eine Walze oder einen Stempel auf das zu greifende Bauteil gedrückt. Auch diese Verbindungen halten nicht gut. Dadurch muss die Größe der Wirkfläche immer in Relation zum Gewicht des Zuschnitts gewählt werden, was jedoch die Teileflexibilität stark einschränkt. Strukturierungen der Materialoberfläche verkleinern die Adhäsionsfläche und damit die Haltekräfte. Abstehende Faserenden an der Materialoberfläche können zusätzlich bewirken, dass keine ausreichende Wirkpaarung zwischen Greifer und Materialoberfläche entsteht. Beim Lösen können Faserenden durch das Adhäsionsmittel abgerissen werden oder Kleberückstände am Material zurück bleiben. Ein weiteres adhäsives Wirkprinzip ist das hydroadhäsive Greifen, auch Gefriergreifen genannt. Hierbei wird etwa 0,1ml Wassernebel an der Greifstelle aufgesprüht und mit dem Textil am Greifer angefroren. Das Aufsprühen erfolgt über die integrierte Düse, die die Wassermengen genau dosieren kann. Anschließend friert ein Kühlelement mit etwa -14°C des Wassers innerhalb einer Sekunde. Gleichzeitig ist das Kühlelement die Greiffläche. Diese Methode ermöglicht hohe Haltekräfte ohne zusätzliche Verspannungen im Textil.

Wissen, was man braucht

Saug- und mechanische Greifer können einen flexiblen Einsatz nahezu garantieren. Im Fall textiler Werkstücke kommen sie jedoch wegen der Gefahr von Beschädigung an Oberflächen nur eingeschränkt zum Einsatz. Mögliche Alternativen sind die neueren hydroadhäsiven Greifmechanismen. Für einen stabilen Prozess sollte eine Testphase zum Einsatz der Greifwerkzeuge unter Prozessbedingungen nachfolgend der Auslegung und vor Serieneinsatz erfolgen. Kennt man die Einflusskriterien und weiß man um die Wirkprinzipien der Greifer, können durch experimentelle Untersuchungen Erfahrungen in einer Wissensplattform gesammelt werden.

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