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Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Topologieoptimierung bringt Vakuumgreifer in Form

Vakuumgreifer sind vielseitig einsetzbar. Angeschlossen an einen Roboter, können sie schnell und sauber Teile anheben, die sonst nur schwierig zu halten sind. Allerdings weisen die meisten Roboter nur eine geringe Traglast auf. Ein Greifer mit maximaler Nutzlast sollte daher so leicht wie möglich sein. Im Auftrag der Robomotion GmbH hat das Fraunhofer IPA einen Vakuumgreifer mit Topologieoptimierung überarbeitet und eine Gewichtsersparnis von 60 Prozent erzielt.


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Ursprünglicher Vakuumgreifer von Robomotion

Mit ihrer hohen Flexibilität eignen sich Vakuumgreifer für viele Branchen. Besonders beliebt sind sie in der Ver-packungsindustrie. Hier gilt es, unterschiedliche Produkte mit glatter Oberfläche ohne hohen Konfigurationsaufwand zu transportieren. Die Robomotion GmbH gilt als Spezialist für anspruchsvolle Verpackungsprozesse. Für seine eigene Produktion hat das Maschinenbau- und Engineering-Unternehmen Vakuumgreifer entwickelt, die speziell auf die zu transportierenden Produkte angepasst sind. Aufgabe des Fraunhofer IPA war es im gemeinsamen Projekt, den Greifer zu optimieren, das Gewicht zu verringern und die Nutzlast zu maximieren.

Topologieoptimierung ist erster Schritt zum leichten Bauteil

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Erste Ergebnise der Topologieoptimierung

Wenn es darum geht, das Gewicht von Bauteilen wie dem Vakuumgreifer zu reduzieren, ist die Topologieoptimierung einer der ersten und wichtigsten Schritte. Dabei berechnet eine spezielle Software die günstigste Grundgestalt des Greifers unter mechanischen Belastungen. Grundlage ist immer die Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei wird das große oder komplizierte Modell des Bauteils in kleine Einzelteile, die finiten Elemente, zerlegt. Zwingend benötigte Bauteilbereiche wie beispielsweise die Anschlussplatte für die Roboteranflanschung werden als Non-Design-Areas deklariert und vom Optimierungsprozess ausgeschlossen. Die Software generiert unter Vorgabe von Zielgrößen und Randbedingungen einen Designvorschlag, der die bestmögliche Materialverteilung im zur Verfügung stehenden Bauraum aufweist. Anhand der Dichteverteilung lässt sich erkennen, an welchen Stellen Material gespart werden kann. Be- reiche mit hoher Dichte sind stark belastet und für die Stabilität der Konstruktion wichtig, Bereiche mit niedriger Dichte können entfernt werden. Das Spektrum reicht von 0 bis 1, wobei Non-Design-Areas immer die Dichte 1 aufweisen.
Durch das Festlegen eines Grenzwertes lässt sich anschließend entscheiden, ab welcher Dichte die Bereiche beibehalten werden und zum Bauteil gehören. So entsteht ein Designvorschlag, der die Grobgestalt des neuen Greifers vorgibt. Der Designvorschlag wird vom Konstrukteur aufgegriffen und auskonstruiert. Dazu wird das topologieoptimierte Modell aus der FEM-Umgebung in ein CAD-System überführt. Die Arbeit des Konstrukteurs kann dabei abhängig vom erhaltenen Designvorschlag und der softwaretechnischen Ausrüstung ein toolgestütztes, teilautomatisiertes Reverse Engineering umfassen oder eine vollständige, manuelle Nachkonstruktion erfordern. Im Nachgang werden mithilfe der FEM-Berechnungen auftretende Spannungen und Verformungen am Bauteil bestimmt, um das topologieoptimierte Bauteil zu validieren und gegebenenfalls lokale Spannungsspitzen zu identifizieren.
Der Vakuumgreifer von Robomotion wurde für den Roboter YuMi von ABB konzipiert, ein kollaborativer Roboter für Kleinteilhandling. Ein entsprechender Flansch am Vakuumgreifer stellt sicher, dass sich das Bauteil schnell und einfach am Roboterarm anbringen lässt. Der Greifer besitzt acht Ausgänge, an denen Saugnäpfe angeschlossen werden. Mit dem angelegten Vakuum lassen sich die zu verpackenden Produkte mühelos festhalten. Die gleichmäßige Anordnung der Saugnäpfe ermöglicht eine optimale Gewichtsverteilung. Der Greifer bleibt ausbalanciert und kann die Produkte passgenau in den nächsten Karton legen. Jeweils vier der Ausgänge sind mit einem Eingang verbunden, an dem das Vakuum angeschlossen wird.

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Autoren

Dipl.-Ing. Jochen Burkhardt

Wissensch. Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Abteilung Leichtbautechnologien  
Holzgartenstraße 17,
70174 Stuttgart
Tel.: 07 11/9 70-15 50
E-Mail: jochen.burkhardt@ipa.fraunhofer.de
www.ipa.fraunhofer.de

 Kira Stalling

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Abteilung Leichtbautechnologien
Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart
Tel.: 07 11/9 70-15 50