Symbolbild Rot-grüner Gecko auf einem Stück Holz

Von Geckos, Kalmaren und Robotern

Wie Geckos die Greifertechnik in der Kunststoffindustrie revolutionierten

Was haben Geckos mit Greifertechnik zu tun? Eine ganze Menge. Als Inspirationsquelle von Konstrukteuren hatten die Schuppenechsen einen großen Einfluss auf die Entwicklung von Greifersystemen. Die Geschichte des Greiferbaus nahm aber nicht erst in der Erforschung der Natur seinen Ursprung. Sie reicht zurück bis zu den ersten Handprothesen im Mittelalter, deren Einfluss bis zu heutigen Industrierobotern in der Kunststoffindustrie erstreckt.

Die Geschichte der Greifertechnik nimmt ihren Ursprung im Jahr 1504. Damals verlor der fränkische Reichsritter Gottfried "Götz" von Berlichingen seine rechte Hand in einer Schlacht rund um den Landshuter Erbfolgekrieges. Im Krankenlager erinnerte er sich an einen Reiter namens "Kochle", der angeblich eine eiserne Hand besaß. Götz ließ sich zwei solcher eisernen Hände anfertigen. Das erste, unbekanntere Modell erschien zwischen 1505 und 1510, war 13 cm lang und wog knapp 600 g. Mithilfe eines Sperrklinkenmechanismus im Inneren der Eisenhand konnten die Finger festgestellt werden. Unter Federdruck sprangen sie in die offene Ausgangslage zurück. Auf diese Weise bewegte ihr Träger Finger und Daumen.

Das zweite, populärere Modell tauchte knapp 20 Jahre später um das Jahr 1530 auf. Die Handprothese war 37 cm lang und wog 1,5 kg. Zum Einsatz kam die gleiche Mechanik wie beim ersten Modell, allerdings war die zweite "Götzehand" ungleich komplexer. Bei der jüngsten Variante konnten nicht nur die Finger und Daumen, sondern auch deren einzelne Glieder bewegt werden. Bei den Fingern kamen drei, beim Daumen zwei Gelenke zum Einsatz. Zudem war es möglich, die Vorrichtung um 15 Grad zu schwenken. Handprothesen nach diesem Konstruktionsprinzip waren im 16. Jahrhundert weit verbreitet. 

"Götz", dessen Beiname "mit der eisernen Hand" erstmals 1518 erwähnt wurde, schlug aufgrund seiner Kriegsverletzung eher unfreiwillig das Kapitel der Greifertechnik auf. Komplexes, vielseitiges Greifen sowie Hand-Augen-Koordination sind nur einige Beispiele, welche auch heute bei der Entwicklung künstlicher Greifwerkzeuge eine Rolle spielen. Für die Entwicklung von Handprothesen hat sich mittlerweile der Begriff Prothetik etabliert, eine Wissenschaft, die sich mit der Entwicklung von künstlichen Körperteilen beschäftigt.

Der Einfluss von Prothetik und Bionik auf die Greifertechnik

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde der Greifertechnik aufgrund der Einführung von Industrierobotern abermals große Aufmerksamkeit geschenkt. Durch die fortschreitende Entwicklung ergaben sich immer mehr Möglichkeiten und Ideen, das Anwendungsgebiet der Greifertechnik zu erweitern. Denn der menschlichen Hand als Inspirationsquelle waren auch Grenzen gesetzt. Temperaturanfälligkeit, eingeschränkte Tragkraft und Positioniergenauigkeit sowie Probleme beim Bewegen extremer Greifobjekte wie sperriger Lasten oder winziger Miniaturbauteile erforderten neue Lösungen.

Biologische Systeme und technische Greiferanwendungen

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Aufgrund dessen rückte neben der Prothetik mehr und mehr das Forschungsfeld der Bionik in den Vordergrund. Die Bionik beschäftigt sich mit der Frage, wie biologische Systeme auf technische Anwendungen übertragen werden können. Insbesondere biologische Organismen und der Aufbau ihrer natürlichen Greiforgane lieferten wichtige Erkenntnisse bei der technischen Umsetzung von Greifermechanismen. Zwei prominente Beispiele aus der Natur, welche die Greifertechnik revolutionierten, sind der Gecko und der Kalmar. Als Inspirationsquelle dienten die Füße des Geckos und die Greifarme des Kalmars. Ein Gecko besitzt Füße mit Haftlamellen, die mit Millionen winziger Härchen ausgestattet sind. Mithilfe von elektrostatischen Anziehungskräften und Van-der-Waals-Kräfte findet er an unterschiedlichen Oberflächen Halt und kann die Haftung innerhalb von wenigen Millisekunden wieder lösen.

Darüber hinaus verfügt die Oberfläche des Geckofußes über gewisse selbstreinigende Eigenschaften, wodurch er im Laufe der Zeit nichts von seiner Haftfähigkeit einbüßt. Der Kalmar hingegen besitzt flexible Greifarme, die in der Länge variabel und in alle Richtungen biegbar sind. Die Arme sind mit Vakuum-Saugnäpfen ausgestattet, die sich unterschiedlichen Oberflächen ideal anpassen und es dem Kalmar erlauben, Halt zu finden.

Infografik: 5 Fakten über Geckos

Geckos sind kleine bis mittelgroße Echsen, die weltweit in einer großen Artenvielfalt vorkommen. Einige Arten verfügen über Lamellen an den Füßen, mit denen sie durch Adhäsion an beinahe allen Oberflächen haften können.

Die Rolle Robotik im Greiferbau

Diese Erkenntnisse sind letztlich in ein drittes Feld, das maßgebend an der modernen Greifertechnik beteiligt ist, eingeflossen: die Robotik. Die Robotik beschäftigt sich mit der Entwicklung von Robotern. Heutzutage kommen Industrieroboter überall dort zum Einsatz, wo großes Potenzial durch Automatisierungsprozesse vorhanden ist. Greifer sind als arbeitendes Glied am äußeren Ende einer hantierenden Maschine und bilden so die Schnittstelle zwischen Industrieroboter und Werkstück. Sie gehören deshalb zur Gruppe der Endeffektoren.

Ein Endeffektor ist eine Einrichtung, die an der entferntesten Stelle einer kinematischen Kette angebracht ist und einen Effekt erzielt. Die Aufgabe des Industrieroboters ist es, den Endeffektor nach Programmanweisung in Zielposition zu bringen, um Objekte zu übernehmen oder abzulegen. In der Produktion ersetzen Roboter, die mit Endeffektoren wie Klemmgreifern, Vakuumsauggreifern, Magneten, Greiffinger oder Nadelgreifern ausgestattet sind, die menschliche Hand. Auch wenn die Kombination von Roboter und Greifertechnik häufig autonom arbeitet, sind menschliche Hände nicht vollends überflüssig. Per Steuerungsmodell kann ein Arbeiter beispielsweise in Kollaboration mit dem Roboter-Greifer-System zusammenarbeiten.

Herausforderungen in der Kunststoffindustrie

Im Gegensatz zu biologischen Systemen, die einen langfristigen Evolutionsdruck unterliegen, orientieren sich technische Greifersysteme auch an Marktsituation und Trends. Greifersysteme müssen passende Antworten auf dringende Probleme liefern, wie etwa in der Kunststoffindustrie. Unternehmen in dieser Branche sind einem hohen Kostendruck ausgesetzt. Die Spritzgusstechnik hat sich als ein bewährtes und zugleich kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen bewährt. Um Kosten einzusparen und wettbewerbsfähig zu bleiben, muss häufig die gesamte Peripherie rund um die Spritzgussmaschine automatisiert werden. Die Automatisierung reicht von der Zuführung der Granulate über das Entnehmen der Teile aus der Maschine bis hin zum Transport zur nächsten Bearbeitungsstation. 

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Im Experten-Interview verrät FIPA-Konstrukteur Henning Schanz, wie er Lösungen für komplexe Probleme im Greiferbau findet.

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Im Zuge der Automatisierung kommen Fragen auf, welche die ganze Kreativität der Konstrukteure erfordern: Wie werden heiße Kunststoffteile richtig gehandhabt? Was ist bei lackierfähigen Oberflächen zu berücksichtigen? Und wie wird am besten mit metallisierten Oberflächen, die nicht berührt werden dürfen, verfahren? Durch die Kombination der Erkenntnisse der Prothetik, Bionik und Robotik ist die Greifertechnik heute in der Lage, flexibel auf die verschiedenen Anforderungen zu reagieren. So werden heiße Kunststoffteile mithilfe von Silikonsaugern, die kurzfristig Temperaturen bis 200 Grad standhalten, angehoben. Bei lackierfähigen Oberflächen kommen am besten HNBR- und Thermalonsauger bis 160 Grad zum Einsatz. Diese Bauart ist abdruckarm, frei von Silikon oder LABS und garantiert dadurch ein späteres Beschichten der Kunststoffteile. Bei verspiegelten Objekten, die nicht gegriffen werden dürfen, hilft ein kleiner Trick, welchen FIPA Konstrukteur Henning Schanz im Experteninterview verrät: metallisierte Flächen, die keine Sichtflächen sind, dürfen in der Regel gegriffen werden. Wozu der Verlust einer Hand doch alles führen kann.

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