Institut
Geschichte

EIN INSTITUT MIT ZUKUNFT

Im September 2013 ist mit der Berufung von Annika Raatz zur Professorin auch das Institut für Montagetechnik (match) gegründet worden. Am match werden seitdem zukunftsweisende Ideen für die automatisierte und robotergestützte Montage und Handhabung in der Produktion verfolgt. Als essenzieller Bestandteil der Wertschöpfungskette komplettiert die durch das match repräsentierte Montagetechnik die am PZH abgebildete Prozesskette der Produktionstechnik. Im Juli 2016 wurde mit der Antrittsvorlesung von Prof. Raatz die Tradition der ­Antrittsvorlesungen an der Leibniz Universität wiederaufgenommen. Unter dem Titel „Zwischen Mensch und Maschine – mein match“ stellte Annika Raatz sich und ihre Forschungsschwerpunkte als neuen Bestandteil der Leibniz Universität vor. 

AUS DER FORSCHUNG

Soft Robotics

Das match beschäftigt sich im Forschungsfeld Soft Material Robotic Systems (SMRS) mit Roboterstrukturen aus weichen Materialien wie Silikonen und Kunststoffen. Im Gegensatz zu klassischen Robotern aus Stahl oder ­Aluminium weisen diese Materialien eine erhöhte Nachgiebigkeit und Anpassungsfähigkeit auf, die sie unter anderem für den Einsatz in der Mensch-Roboter-Kollaboration prädestiniert – beispielsweise in der Montage. Durch den Einsatz von Materialien, die ähnliche Steifigkeit wie menschliches Gewebes aufweisen, wird das Verletzungsrisiko bei der Interaktion zwischen Mensch und Roboter deutlich reduziert. Weitere potenzielle Anwendungsgebiete liegen in der Medizintechnik oder der Explorationsrobotik. Die erhöhte aktive und passive Anpassbarkeit weicher Strukturen bietet allerdings nicht nur ein hohes Potenzial, sondern stellt Forscher auch vor neue Herausforderungen hinsichtlich des Designs, der Modellierung und der Regelung softer robotischer Systeme.

Schwerpunkt der letzten Jahre am match war und ist die Entwicklung und Implementierung eines Frameworks, welches die Designoptimierung und kinematische Modellierung softer pneumatischer Aktoren umfasst. Für die zukünftigen Forschungsvorhaben kann auf diese bereits geleisteten Arbeiten zurückgegriffen werden. Mit dem Simulationsframework können ausgehend von einem Aktor-Design die Geometrie- oder Materialparameter mit Hilfe eines genetischen Algorithmus so angepasst werden, dass beispielsweise eine möglichst große Krümmung des soften Aktors realisiert werden kann. Der ­Algorithmus sowie die Simulation basieren auf dem Zusammenspiel von MATLAB und der FEM-Software Abaqus. Zum anderen wird die Schnittstelle MATLAB – Abaqus dafür genutzt, echtzeitfähige kinematische Modelle in Form von künstlichen neuronalen Netzwerken abzuleiten.

 Damit das Potenzial der SMRS in Zukunft weiter ausgeschöpft und bestehende Herausforderungen in der Entwicklung überwunden werden können, hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) auf Initiative des match das Schwerpunktprogramm (SPP) „Soft Material Robotic Systems“ ins Leben gerufen. Seit August 2018 arbeiten deutschlandweit Forschungseinrichtungen an der Erforschung softer Robotersysteme. Forschungsschwerpunkte sind dabei unter anderem der Einsatz und die Synthese neuer funktioneller Materialien, die Entwicklung von soften Aktoren und Sensoren, die Modellierung softer Systeme sowie ihre Regelung.

Handhabungs- und Steuerungstechnik

Ein wesentlicher Bestandteil der automatisierten Montage ist die Handhabungs- und Steuerungstechnik, die am match im Rahmen unterschiedlicher Forschungs- und Industrieprojekte untersucht wird. Im Rahmen des von der DFG geförderten Projektes: „Methoden zur Automatisierung von Handhabungsprozessen unter kryogenen Umgebungsbedingungen“ werden am match in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT, Sulzbach/Saar) Ansätze zur Automatisierung der Handhabungsprozesse in Biobanken für die Kryokonservierung im Temperaturbereich unterhalb von -130°C erforscht. Die Herausforderung besteht darin, die Funktionalität der Maschinenkomponenten (Gelenke, Sensorik, Energieversorgung etc.) in diesem Temperaturbereich zu gewährleisten, um die Biobank bei einem konstant niedrigen Temperaturniveau betreiben zu können. Dies soll die Beschädigung der Proben durch Temperaturschwankungen verhindern und gleichzeitig die Effizienz und Reproduzierbarkeit der Handhabungsprozesse steigern. Die Basis des Automatisierungssystems bildet ein Parallelroboter. Dessen Struktur erlaubt es, die Antriebstechnik vom Tieftemperaturbereich zu entkoppeln und außerhalb, d. h. im Warmbereich, zu platzieren. Um die Antriebsbewegung an die Endeffektor-Plattform zu übertragen, werden am match Methoden zur Gestaltung passiver Festkörpergelenke erforscht, sodass diese bei den geforderten Temperaturen eingesetzt werden können – zum Beispiel unter Verwendung spezieller Bauteilgeometrien wie Butterfly-hinges oder tieftemperatur-geeigneter Materialien wie High-Entropy Alloys (HEA).

In dem von der DFG geförderten Projekt „Modellbasierte Erhöhung der Flexibilität und Robustheit einer aerodynamischen Zuführanlage für die Hochleistungsmontage“ werden in Zusammenarbeit mit dem IFA Methoden erforscht, um bestehenden Defizite konventioneller Zuführtechnik hinsichtlich Zuführleistung, Zuverlässigkeit und Variantenflexibilität entgegenzuwirken. Forschungsgegenstand ist eine aerodynamische Zuführanlage, die über die Konfiguration von wenigen Anlagenparametern an unterschiedliche Werkstückgeometrien angepasst werden kann. Die Identifikation der Anlagenparameter erfolgt über einen genetischen Algorithmus. Die Herausforderung besteht darin, das Spektrum zuzuführender Werkstücke durch Anpassungen an der Anlage und am genetischen Algorithmus zu erweitern, um den stetig steigenden Produktindividualisierungen gerecht zu werden. Zur Reduzierung der Dauer der Lösungsfindung wird ein bereits entwickeltes Simulationsmodell der aerodynamischen Zuführanlage erweitert und optimiert. Um auf manuelle Anpassungen, die bislang bei der Simulation unterschiedlicher Werkstücke nötig sind und somit Simulationsexperten erfordern, zu verzichten, wird angestrebt, die Simulation insofern zu erweitern, als dass das Verhalten verschiedener Werkstücke simuliert werden kann, ohne Änderungen am eigentlichen Simulationsmodell vornehmen zu müssen. Weiterhin werden die optimalen Einstellungen des genetischen Algorithmus in Abhängigkeit der Eigenschaften der zuzuführenden Werkstücke identifiziert sowie das wirtschaftliche Auslösen einer Reparametrierung bei variierenden Umgebungsbedingungen untersucht.

Präzisionsmontage

Die Fragestellung, wie Bauteile exakt zueinander positioniert und zuverlässig fixiert werden können, beschäftigt die Wissenschaftler des match. Eine solche Präzisionsmontage ist beispielsweise bei optischen Sensoren, bei denen einzelne Pixel exakt ausgerichtet werden müssen, oder bei empfindlichen medizintechnischen Komponenten erforderlich. Dabei sind die Anforderungen an die Montagegenauigkeit so hoch, dass die Aufgaben nicht ohne maschinelle Unterstützung durchgeführt werden können. Das match befasst sich daher mit der Entwicklung von Gerätetechnik für die Präzisionsmontage: Spezielle Greifer, hochgenaue Handhabungsgeräte und Messkonzepte werden prozessspezifisch gestaltet und aufgebaut. Für eine hochgenaue Montage ist jedoch nicht nur eine präzise Gerätetechnik erforderlich. Auch der Montageprozess muss an das Produkt optimal angepasst werden. Dabei untersucht das match nicht nur einzelne Teilprozesse, sondern analysiert auch deren Wechselwirkungen und die indirekten Auswirkungen auf das Montageergebnis. Die Erkenntnisse daraus werden zur optimalen Gestaltung des gesamten Montageprozesses genutzt. Ein Teilprozess, der oft im Fokus der Montageprozessentwicklung steht, ist das automatisierte Kleben. Grundsätzlich eignet sich das Kleben für viele Mikro- und Präzisionsmontageaufgaben. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine robuste und präzise Prozessführung. Andernfalls können zum Beispiel Spannungen durch Klebstoffschrumpf zum Verzug der Bauteile und letztendlich zu defekten Produkten führen. Durch die ganzheitliche Betrachtung können Produkt, Prozess und Gerätetechnik optimal aufeinander abgestimmt und solche Probleme frühzeitig erkannt und vermieden werden. Im vergangenen Jahr wurde der Präzisionsmontagebereich am match durch eine von der DFG geförderte flexible Präzisionsmontagezelle erweitert. Diese Anlage wurde mit dem Schweizer Hersteller Unitechnologies entwickelt und ist seit Sommer 2017 am match im Einsatz. Die Mitarbeiter des Instituts nutzen die Anlage für angewandte Grundlagenuntersuchungen zur Ermöglichung hochpräziser Montageprozesse unter industrie­nahen Bedingungen. Dafür wird neue Gerätetechnik entwickelt, in die Anlage integriert und in speziellen Prozessabläufen untersucht. Durch integrierte Sensortechnik (Kraft-Momenten-Sensorik, Laser, Kameras) wird der Prozess sowie die Maschine überwacht, sodass Informationen zur Optimierung einzelner Teilprozesse, des Prozessablaufs, der Komponenten sowie des grundsätzlichen Montagekonzepts gesammelt werden können. So entstehen schließlich Geräte, Prozesse und Automatisierungsstrategien für die Montage mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern.

AUS DER LEHRE

Seit Jahren arbeitet das match daran neue Konzepte in die Lehre einzubringen. Seit 2017 gibt es für die Erstsemester des Maschinenbaus sowie der Produktion und Logistik eine neue Lehrveranstaltung – das Bachelorprojekt. Unter Federführung des match haben 13 Institute des Maschinenbaus eine praxisorientierte Lehrveranstaltung ausgearbeitet, in deren Mittelpunkt nicht die rein technischen Studieninhalte stehen, sondern Motivationsförderung und die Vermittlung von Problemlösungskompetenz. Mit allgemeinverständlichen Problemstellungen werden die Studierenden im ersten Semester mit Spaß an das Ingenieurwesen herangeführt. Dabei soll auch die Kluft zwischen sehr theoretischen Lehrinhalten und gelebter Ingenieurspraxis überbrückt werden. Das match bietet für bis zu 50 Studierende ein Projekt an, bei dem sie mit LEGO-Mindstorms einen autonomen Roboter konzipieren, bauen und programmieren. Das bisher vom match durchgeführte englischsprachige Bachelorprojekt für Mechatroniker wurde an das MZH übergeben, um die Kompetenz dieser Lehrveranstaltung fakultätsungebunden für die Elektrotechnik und Mechatronik bereitzustellen.

In Zuge der Umstellung auf die PO2017 wurden die Masterlabore in bestehende Vorlesungen integriert, wodurch eine engere Verknüpfung zwischen Theorie und Praxis erreicht wird. Bei dem ehemaligen Labor „Roboterprogrammierung“ haben die Studierenden nun verbindliches Vorwissen der Industrieroboter-Vorlesung, wodurch die Programmierzeit am Roboter effizienter genutzt werden kann. Zum zweiten Mal erfolgreich stattgefunden hat das Tutorium „Robotergestützte Montageprozesse“, das die Inhalte zur Mensch-Roboter-Kollaboration, sensorgestützten Montage, Roboterprogrammierung und Montagezellensimulation abbildet.

 

 

INFORMATIONEN ALS PDF DOKUMENT

KONTAKT

Dipl.-Ing. Philipp Jahn
Wiss. Mitarbeiterinnen/Mitarbeiter
Adresse
An der Universität 2
30827 Garbsen
Gebäude
Raum
229
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