[10.10.2011] An Abkantautomaten - Anlagen zur vollautomatischen Produktion von Blechprodukten - werden sehr hohe Anforderungen gestellt, unter anderem höchst präzise effiziente Fertigung, kurze Prozesszyklen und geringer Energieverbrauch. Durch moderne Simulations- und Modellierungsmethoden und Methoden der Modellreduktion werden signifikante Effizienz- und Leistungssteigerungen erreicht. Aktuellstes Beispiel: die lichtdichte Produktion von Gehäuseteilen in der Leuchtenindustrie auf Abkantautomaten, ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte.

Komplexe Produkte aus Blech findet man in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Bekannte Beispiele sind Aufzugstüren und –kabinen, Blechmöbel, sowie Gehäuseteile unterschiedlichster Geräte in Haushalt, Büro und Industrie. Mit Abkantautomaten der Firma Salvagnini Maschinenbau GmbH können derartige Produkte weitgehend vollautomatisch produziert werden. Dabei wird ein hoher Grad an Automatisierung und Flexibilitaÿt bei minimalem Energieverbrauch gefordert.

Durch eine langjährige Forschungskooperation mit dem ACCM wurde der Entwicklungsprozess bei Salvagnini unterstützt. Dabei kommen modellbasiertes Engineering in Verbindung mit modernen Simulations- und Messmethoden und Methoden der Modellreduktion zum Einsatz. Damit konnte ein sehr detailliertes Prozessverständnis erreicht werden, das zu einer enormen Effizienz- und Leistungssteigerung führte.

Einerseits wurde der Entwicklungsprozess beschleunigt, sodass ein Prototyp bereits zu 95% dem Serienstand entspricht. Andererseits können die Maschinen optimal genutzt werden, sodass Produktion mit Losgröße 1 – d.h. die effiziente Fertigung individuell konfigurierter Produkte - ermöglicht wurde. Durch Vermeidung von aufwändigen Einstellzyklen und Ausschuss können die verfügbaren Ressourcen bestmöglich genutzt werden. Durch eine optimierte Einstellung der Prozessparameter konnten bei steigender Fertigungsqualität die auftretenden Kräfte um bis zu 90% gesenkt werden. Dadurch wurde die Lebensdauer der Maschine deutlich erhöht.

Durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen konnte in einem Jahrzehnt der mittlere Energieverbrauch um 75% reduziert werden. Außerdem wurden sichtbare Abdrücke am Blech minimiert und die Komplexität der Produkte erhöht. Damit eröffnen sich völlig neue Anwendungsgebiete.
Ein aktuelles Beispiel ist die Produktion von Gehäuseteilen in der Leuchtenindustrie mit lichtundurchlässigen Kanten. Durch die erreichte Präzision können die Teile auf Abkantautomaten ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte lichtdicht produziert werden.

Im ACCM werden grundlegende forschungsrelevante Themen behandelt, wie die Eliminierung der Längskrümmung der gebogenen Bleche, die Identifikation von Materialparametern aus den gemessenen Prozesskräften, sowie die Entwicklung neuer, höchst effizienter Maschinenkonzepte.

Publiziert wurden die Forschungsergebnisse in:
Zehetner C., Cojocaru E., Hammelmüller F., Holl H., Irschik, H. Kunze, W., Modellbasiertes Engineering zur Steigerung der Flexibilität und Effizienz bei Abkantautomaten, Smart Production, Tagungsband Industrielles Symposium Mechatronik (ISM, 18.11.2010), Linz, Austria, 2010.

Firmenkontakt:
Salvagnini Maschinenbau GmbH
Dr. Guido Salvagnini-Straße 1, 4482 Ennsdorf
www.salvagninigroup.com

[1.10.2011] Ein neues Konzept von Robotern mit elastischen Antrieben eröffnet bisher technologisch ungelöste und daher völlig neue Anwendungsmöglichkeiten in der industriellen Automation, Simulation, Virtual Reality bis hin zu Fitness, sport- und medizintherapeutischen Anwendungen. Im ACCM werden die grundlegenden forschungsrelevanten Themen dazu behandelt, wie nichtlineare Regelung, modellbasierte, sensorlose Kraftregelung und optimale Bahnplanung des Roboters.

Herkömmliche Industrieroboter charakterisieren sich durch starre Verbindungselemente mit steifen Servoantrieben. Damit ergibt sich eine sehr gute Positionier- und Wiederholgenauigkeit, die in vielen Industrieapplikationen gefordert wird. Kommt der Roboter mit seinem Umfeld in direkten Kontakt, so treten aufgrund des starren Aufbaus zwangsläufig hohe Kräfte auf, die über eine entsprechende Sensorik sowie Regelungsaufwand abgefangen werden können.
Bei wichtigen industriellen Anwendungen, z.B. Schleifen, Polieren, Einlegen in Pressen, ist ein Kontakt mit dem Umfeld unumgänglich. Daher entstand an der Universität Linz die Idee, einen Roboter mit elastischen Antrieben – Luftmuskeln - zu bauen, was inzwischen auch zur Gründung des Spin Off-Unternehmens FerRobotics Compliant Robot Technology GmbH führte.

Der Antrieb des Roboters erfolgt u¨ber Luftmuskeln. Um ein Moment auf den Abtriebsarm einzuprägen, müssen im pneumatischen Fall, ähnlich wie beim Menschen, zwei Luftmuskeln (Agonist - Antagonist) geregelt werden, da die Muskeln nur in der Lage sind, translatorische Zugkräfte abzugeben (bis zu 6000N/Muskel). Alle 7 Freiheitsgrade werden über modulare Antriebseinheiten (Subsysteme) realisiert.
Besonders von Vorteil ist dabei der modulare Aufbau der Subsysteme. Zunächst werden jeweils ein Subsystem und dessen Interaktion mit den Nachbarsystemen optimiert und zum Gesamtsystem zusammengefügt. Dieses kann bei der Regelung als Vorsteuerung eingebunden werden. Um Parameterungenauigkeiten und Reibungseffekte auszugleichen, sorgt eine zusätzliche Regelung, die speziell auf die Eigenschaften der pneumatischen Aktoren ausgelegt ist, für die Vorgabe an die Stellgrößen. Die Regelung hat eine Kaskadenstruktur bestehend aus unterlagerter Druckregelung und einer überlagerten Positionsregelung inklusive Momentenvorsteuerung. Der Trajektoriengenerator erzeugt die Bahnen in Weltkoordinaten, welche mit Hilfe der inversen Kinematik in die Gelenkskoordinaten des Roboters umgerechnet werden.

FerRobotics wurde für die Entwicklung der nachgiebigen Robotertechnologie inzwischen mit mehreren nationalen und internationalen Auszeichnungen prämiert:

•    Rudolf Trauner Preis 2007
•    Dr. Wolfgang Houska Preis 2008 gemeinsam mit dem Institut für Robotik der Johannes Kepler Universität, 2. Platz
•    MM AWARD 2008 Messeaward zur Automatica in München
•    GEWINN Jungunternehmerpreis 2008
•    OÖ Landespreis für Innovation 2008
•    nominiert für "ECONOVIUS Staatspreis Innovation"
•    nominiert für "EUROP/EURON TECHNOLOGY TRANSFER AWARD"
•    GENIUS AWARD 2009, 3. Platz
•    Strategic Manufacturing Innovation Award 2010
•    Strategic Manufacturer of the Year 2010
•    Top 5 Hermes Award 2011 Hannover Messe
•    Top 3 Robotics Award 2011 Hannover Messe
•    OÖ Landespreis für Innovation 2011, 2. Platz

[9.9.2011] Kunststoffen wird eine glorreiche Zukunft vorausgesagt. Sie sind leicht, relativ günstig und erreichen immer mehr Produkteigenschaften wie Härte oder Zähigkeit, mit denen sie bisher nicht in Verbindung gebracht wurden. Die Entwicklung neuer Kunststoffe erfordert aber viel Geduld und die Kenntnis des Prozesses während des „Polymerisierens“, wo aus Rohstoffen der Werkstoff „gekocht“ wird. Dieser Prozess ist sehr komplex und mitunter schwierig nachzuvollziehen.

Zur Entwicklung neuer chemischer Formulierungen werden in Testreaktoren verschiedene Prozessbedingungen und Materialzusammensetzungen erprobt. Diese Methode liefert in kleinem Maßstab Informationen, welche Materialeigenschaften mit einem bestimmten Prozess erwartet werden können. Bisher war es nur möglich, das Resultat – also das hergestellte Polymer –, zu beurteilen, nicht aber die Vorgänge während der Polymerisation selbst.

Im Rahmen eines seit 2008 laufenden ACCM-Projekts der area Sensors and Signals werden Methoden und Sensorsysteme erforscht, mit denen der Zustand während der Polymerisation im Reaktor genauer überwacht werden kann.

Zur Anwendung kommen hier beispielsweise Dichtesensoren und Infrarot-Absorptions-Messungen. Eine besondere Herausforderung sind die im Reaktor vorherrschenden Umgebungsbedingungen, insbesondere Drücke in der Größenordnung von 80 bar.

Mit den erarbeiteten Verfahren und Systemen soll der Prozess transparenter werden und es kann noch gezielter an neuen Qualitäten und Eigenschaften künftiger Kunststoffgenerationen geforscht werden. Zudem erwarten sich die WissenschafterInnen vertiefte Einsichten in den Ablauf des Polymersiationsprozesses selbst.

[1.3.2009] Für zwei komplementäre, bisher nicht befriedigend gelöste Kontaktprobleme wurden am ACCM nun Lösungen gefunden: Für die effiziente Computeranalyse des Problems von gefügten Kontaktflächen wurde ein neues Verfahren entwickelt, und für Probleme mit sehr vielen Kontaktflächen ein neues Homogenisierungsverfahren entworfen. Dabei können aufgrund gröberer Finite-Elemente Netze und verbesserter Konvergenzeigenschaften wesentlich verkürzte Rechenzeiten erreicht werden.

Das Problem, gefügte Kontaktflächen effizient am Computer analysieren zu können, bearbeitete Dr. Wolfgang Witteveen gemeinsam mit Austria Magna Powertrain, Engineering Center Steyr GmbH & Co KG im Multi-Firm-Project Mechanical Modelling of Contact Problems and Model Based Identification der Area Mechanics and Modelbased Control des ACCM. Bereits in seiner mit dem Mechatronik-Preis 2008 ausgezeichneten Dissertation entwickelte Dr. Witteveen einen effizienten, auf Moden basierenden Algorithmus für Fügestellen.
In Zusammenarbeit mit Siemens Transformers Austria GmbH & Co KG entwickelten Priv.Doz. Dr. Johannes Gerstmayr und DI Larissa Aigner (geb. Vorhauer) ein homogenisiertes Materialmodell, das das mikroskopische Verhalten eines Stapels sehr dünner, nicht verklebter Schichten in einem makroskopischen Modell homogenisiert.
Das Kontaktmodell der dünnen Schichten wird dadurch in ein homogenisiertes, nichtlineares und anisotropes Materialmodell transformiert.
Die direkte Lösung des Kontaktproblems basiert auf einer Finite-Elemente Diskretisierung jeder Schicht und einer Kontaktformulierung zwischen allen benachbarten Schichten. Die - aufgrund der dünnen Schichten - sehr feine Diskretisierung und die großen Unterschiede von Längs- und Biegesteifigkeiten in den Schichten verursachen lange Rechenzeiten und Konvergenzprobleme in kommerziellen Finite-Elemente Programmen wie ABAQUS.
Das homogenisierte Modell kann hingegen bei gleich bleibender Genauigkeit, vgl. Abb. 1 und 2, wesentlich gröber vernetzt werden. Anstelle der Kontaktelemente tritt ein elasto-plastisches, anisotropes Materialgesetz, das zwar ebenfalls mittels nichtlinearer Iterationen gelöst werden muss, allerdings auf Basis eines signifikant kleineren Gleichungssystems.
Ein einfaches Versuchsproblem wurde mit dem Kontaktmodell in ABAQUS (Abb. 1), und mit wesentlich gröberer Diskretisierung mit dem homogenisierten Materialmodell in der Forschungssoftware HOTINT (Abb. 2) implementiert. Bereits für eine Schichtdicke von 1.25 mm sind die Berechnungen im homogenisierten Modell etwa siebenmal schneller.

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Siemens Transformers Austria GmbH & Co KG – Werk Linz
Austria Magna Powertrain, Engineering Center Steyr GmbH & Co KG