Konstruktion eines Festkörpergelenkgreifers mit bistabiler Formgedächtnisaktorik

In der industriellen Fertigung sind die meisten Bearbeitungsschritte mit dem Transportieren und Positionieren von Werkstücken verbunden. Die aktiven Schnittstellen zwischen Handhabungssystem und Werkstück sind industrielle Greifer, die vor allem im kleinteiligen Bereich oft pneumatisch angetrieben werden. Auf dem Weg zu höherer Energieeffizienz und digitalen Fabriken sind Unternehmen auf der Suche nach neuen Antriebstechnologien mit mehr Sensorintegration und besseren Wirkungsgraden. Gängige Aktoren wie Magnete und Elektromotoren sind in vielen Fällen zu schwer und groß für eine direkte Integration in das Greifsystem. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind Formgedächtnislegierungen (FGL) geeignet, diese Nachteile herkömmlicher Aktuatoren zu überwinden. Zusätzlich verfügen sie über sogenannte Self-Sensing Fähigkeiten, die zu einer sensorlosen Überwachung und Steuerung des Antriebssystems führen. Ein weiterer Nachteil konventioneller Greifer ist ihr Aufbau, der auf beweglichen Teilen, die besonders in abrasiven Umgebungen schnell verschleißen. Dies kann durch Festkörpergelenke, die konventionelle Gelenke ersetzen, vermieden werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess eines Funktionsprototyps für einen elastischen Greifer, der von einer bistabilen FGL-Antriebseinheit angetrieben wird, für industrielle Anwendungen umrissen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung des FGL-Antriebs, während ein erster Designansatz für den nachgiebigen Greifmechanismus mit Festkörpergelenken vorgestellt wird. Das Ergebnis ist ein funktionierender Greifer-Prototyp, der hauptsächlich aus 3D-gedruckten Teilen besteht. Erste Ergebnisse von Validierungsversuchen werden diskutiert. English: Within industrial manufacturing most processing steps are accompanied by transporting and positioning of workpieces. The active interfaces between handling system and workpiece are industrial grippers, which often are driven by pneumatics, especially in small scale areas. On the way to higher energy efficiency and digital factories, companies are looking for new actuation technologies with more sensor integration and better efficiencies. Commonly used actuators like solenoids and electric engines are in many cases too heavy and large for direct integration into the gripping system. Due to their high energy density shape memory alloys (SMA) are suited to overcome those drawbacks of conventional actuators. Additionally, they feature self-sensing abilities that lead to sensor-less monitoring and control of the actuation system. Another drawback of conventional grippers is their design, which is based on moving parts, are prone to wear, especially in abrasive environments. This can be overcome by flexure hinges that dispense with bearings and guides. In the presented work, the development process of a functional prototype for a compliant gripper driven by a bistable SMA actuation unit for industrial applications is outlined. The focus lies on the development of the SMA actuator, while the first design approach for the compliant gripper mechanism with solid state joints is proposed. The result is a working gripper-prototype which is mainly made of 3D-printed parts. First results of validation experiments are discussed.