Leichtbau-Schwalben für die vernetzte Fabrik der Zukunft

Die bionischen Schwalben sehen auf den ersten Blick aus wie ein schönes Weihnachtsgeschenk für einen Liebhaber von Modellflugzeugen. Wendig sind sie, sogar Loopings können sie fliegen. Das eigentlich Spannende ist aber, wie sie im Schwarm agieren, und dabei wird deutlich, dass es sich keineswegs um Spielzeug handelt: „Für solche schwierigen Flugmanöver haben wir uns extra eine Art Indoor-GPS auf Funkbasis überlegt. Und das ist die eigentliche Innovation bei der Bionic Swift: Der autonome Schwalbenflug! Sichere, koordinierte Flugmanöver im Kollektiv – und das ganz ohne menschlichen Piloten“, erklärt Karoline von Häfen, Leiterin der Bionic Projects. Weichen die Schwalben von ihrer vorgegebenen Flugbahn ab, greifen sie autonom in die Situation ein und finden selbstständig auf ihre Bahn zurück.

Mit diesem Projekt zielt das Unternehmen im ersten Schritt auf die Intralogistik. Von Häfen erklärt: „Durch die Vernetzung von Flugobjekt und GPS entsteht ein 3D-Navigationssystem für die vernetzte Fabrik der Zukunft. Die exakte Lokalisierung von Warenströmen oder Materialströmen ermöglicht Prozessabläufe zu verbessern oder Engpässe zu erkennen.“ Zudem könnten autonome Flugroboter auch für den Material-Transport eingesetzt werden, fährt sie fort. Mit Flugkorridoren in der Luft würde die Fabrikfläche besser genutzt.

Nur 42 Gramm wiegt ein Exemplar der Schwalben – so viel wie zwei gehäufte Esslöffel Mehl. Die Leichtbaukonstruktion wird im 3D-Drucker hergestellt. „Weniger Gewicht bedeutet weniger Energieverbrauch. Für den effizienten Flugbetrieb ist aber auch die Form der Flügel von entscheidender Bedeutung“, erläutert von Häfen. Die beweglichen Federn bestehen aus speziellem Schaumstoff und Carbon-Federkielen.

Ein bisschen gruselig, aber auch faszinierend ist der mobile Assistent. Er basiert auf der weiterentwickelten bionischen Hand, genannt Bionicsofthand 2.0. Den Universalgreifer nach menschlichem Vorbild hatte das Unternehmen letztes Jahr präsentiert. Die neuste Version hat jetzt flexiblere Knochenstrukturen und ihre Finger arbeiten präziser. Ein Handschuh mit taktilen Sensoren sorgt für das haptische Feedback. Die pneumatischen Finger werden über eine Ventilinsel mit Piezoventilen angesteuert, die direkt an der Hand angebracht ist.

Außerdem verfügt der Greifer nun über ein Handgelenk aus dem 3D-Drucker. Daran ist eine Tiefenkamera für die visuelle Objekterkennung befestigt. Mit deren Hilfe kann die Roboterhand verschiedene Gegenstände erkennen und greifen, selbst wenn diese teilweise verdeckt sind. Nach entsprechendem Training kann die Hand sogar Objekte beurteilen und beispielsweise gute von schlechten unterscheiden. Die Verarbeitung der Informationen übernimmt ein neuronales Netz, das im Vorfeld mit Hilfe von Data Augmentation trainiert wurde.

Die pneumatische Hand hat das Unternehmen an einem elektrischen Arm befestigt, der wiederum auf einem mobilen Roboter steckt. „Dieser balanciert auf einer Kugel und wurde von der ETH [ETH Zürich, A. d. R.] mit uns zusammen entwickelt. Dieses mobile Assistenzsystem stabilisiert sich dynamisch durch ständige, autonome Bewegungen. Es hat die gesamte Energieversorgung an Bord und kann sich so autark im Raum bewegen“, beschreibt von Häfen.

Unabhängig von der Bionik gab es beim Tech-Talk auch Tipps zur Verbesserung der Energieeffizienz in pneumatischen Systemen. Marcus Stemler, Produktmanager Digital Pneumatics, führte ein konkretes Beispiel vor: Um eine Last zu heben, kann man entweder eine Pneumatik mit sechs Bar betreiben, aber man kann diese Aufgabe auch mit drei Bar bewältigen. Beim Senken genügt oft sogar nur ein Bar. Eine solche bedarfsgerechte Druckregelung spart Energie, ist aber manuell viel zu aufwendig in der Umsetzung. Mit bestimmten Produkten lässt sie sich allerdings digital erledigen. Festo bietet dafür eine digitalisierte Ventilinsel an, das Motion Terminal, das permanent weiterentwickelt wird.

Die Umstellung auf bedarfsgerechte Druckregelung mit dem Motion Terminal kann zusätzlich auch die Zykluszeit verringern. Das hat sich zum Beispiel bei einer Reifenpresse gezeigt. Stemler berichtet: „In dieser Anwendung werden zwei pneumatische Antriebe verwendet, um die Green Tyre, den sogenannten Rohreifen, in die Anlage reinzuheben. Mit genau dem Effekt, den wir gerade gesehen haben, konnten wir den Energieverbrauch für diese Einladebewegung um 60 Prozent reduzieren.“ Die Prozesszeit sank um ein Drittel.

Auf dem Controller lassen sich auch dezentral Daten von Drucksensoren auswerten. Damit ist das Unternehmen imstande, Betreibern Rückmeldung über Leckagen und Wartungsbedarf zu geben, wodurch sich ungeplante Stillstände verhindern lassen. Darüber hinaus ermöglicht die Komponente, Daten bereichsübergreifend zu sammeln und zu überwachen. Die grafische Darstellung erfolgt auf sogenannten Dashboards.

Ein anderes Produkt, das für fabrikweites Monitoring interessant ist, ist das MSE6-C2M, kurz C2M genannt. Stemler dazu: „Das C2M-Modul misst Druck und Durchfluss, ist üblicherweise am Eingang einer Maschine montiert und kann auf Basis der Durchflüsse die Daten dezentral interpretieren. So erkennen wir anhand des Durchflusses, ob die Anlage sich im Ruhezustand befindet. Und Ruhezustand ist für die Unit hier ein Signal in einen Energiesparmodus zu fahren.“

Der Kunde spare automatisch Energie und erkenne Leckagen, schlussfolgert Stemler. „Und auf Anlagenebene sind dadurch 900 Euro pro Jahr drin.“ Bei einer Fabrik mit 50 bis 100 Anlagen summieren sich die Ersparnisse entsprechend.

Die Anomalie-Erkennung und die Optimierung von Energieflüssen lassen sich auch über künstliche Intelligenz (KI) lösen, genauso wie die bedarfsgerechte Regelung des Drucks, erklärt Frank Melzer, Vorstand Product and Technology Management. Melzer ist überzeugt, dass das Unternehmen bald Produkte anbieten wird, in denen KI enthalten ist, um Prozesse energiesparender zu machen und die Produktivität zu verbessern.