Effizienz im Fokus: Vogelflug entschlüsselt

Silbermöwe und Elefantenrüssel inspirieren zu neuen Energie- und Leichtbau-Standards in der Automation

(PresseBox) - Was haben Silbermöwe und Elefantenrüssel mit Automatisierungstechnik zu tun? Das zeigt Festo auf der Hannover Messe 2011 und präsentiert hier seine neuesten Future Concepts, die im Rahmen des Bionic Learning Network von der Natur inspiriert und in die Praxis umgesetzt wurden. Mit dem SmartBird ist es den Ingenieuren von Festo dabei gelungen, den Vogelflug zu entschlüsseln und somit auch einen weiteren Durchbruch in der Automatisierungstechnik zu erlangen. Genau wie beim Bionischen Handling-Assistenten, der 2010 die höchste Technikauszeichnung, den Deutschen Zukunftspreis, erhielt, dem Lernsystem Robotino® XT und dem Bionic Tripod 3.0 setzt Festo in diesem Jahr auf Energieeffizienz und Leichtbauweise. Nicht nur für die Fabrik-, sondern auch für die Prozessautomatisierung bringt Festo neue Impulse: Mit der OptoFluidic eröffnen sich effiziente Analyse- und Diagnoseverfahren für die kontinuierliche und zerstörungsfreie Untersuchung von Fluiden.
Mit dem Bionic Learning Network und 66 neuen Produkten setzt Festo dabei auf der Hannover Messe die Trends von der sicheren Automation über intelligente Mechatronik- Lösungen bis hin zu neuen Antriebs- und Handlingtechnologien, Energieeffizienz und Leichtbau.
SmartBird: Faszination Vogelflug
Es ist einer der ältesten Menschheitsträume: Fliegen wie ein Vogel - sich frei in der Luft in allen Dimensionen bewegen und die Welt mit Abstand aus der Vogelperspektive betrachten zu können. Nicht minder faszinierend ist der Vogelflug an sich. Vögel verschaffen sich nur mit der Muskelkraft ihrer Flügel Auftrieb und halten sich in der Luft.
Mit denselben Flügeln erzeugen sie die nötige Schubkraft, um den Strömungswiderstand zu überwinden und ihren Körper in Bewegung zu setzen - ohne jedes rotierende Teil. Die Funktionsintegration von Auftrieb und Vortrieb ist der Natur genial gelungen. Vögel messen, steuern und regeln ihren Bewegungslablauf fortlaufend und völlig autonom, dem Ziel des Überlebens verpflichtet. Dazu benutzen sie ihre Sinnesorgane.

Der Vogelflug gab lange Rätsel auf. Viele Wissenschaftler sind daran schon gescheitert, das Geheimnis des Vogelfluges blieb bislang ungelöst. Dem Forscherteam des Familienunternehmens Festo ist es 2011 nun gelungen das Rätsel um den Vogelflug zu lüften. Der Schlüssel ist dabei eine ganz besondere Bewegung, die den SmartBird von den bisherigen Schlagflügelapparaten unterscheidet und die es dem ultraleichten und leistungsstarken Flugmodell ermöglicht, eigenständig zu starten, zu fliegen und zu landen.
Der SmartBird fliegt, gleitet und segelt durch die Luft, ganz nach seinem Vorbild aus der Natur - der Silbermöwe. All das ohne zusätzlichen Antrieb. Seine Flügel schlagen dabei nicht nur auf und ab, sondern verdrehen sich gezielt. Dies geschieht durch einen aktiven Gelenktorsionsantrieb, der in Verbindung mit einer komplexen Regelung bisher unerreichte Wirkungsgrade im Flugbetrieb realisiert. Damit gelingt Festo erstmals eine energieeffiziente, technische Adaption des natürlichen Vorbilds.
Bei der Entwicklung des Modells konnten die Ingenieure aus der Vielfalt bereits gewonnener Erkenntnisse und entwickelter Innovationen schöpfen. Die Erfahrung der Bionic Learning Projekte AirRay und AirPenguin flossen in die Konzeption des SmartBird mit ein. Die Faszination, den Vogel nur mit Hilfe des Flügelschlags starten, fliegen und landen zu lassen, war der Antrieb für die Entwickler. Denn Festo beherrscht als Global Player in der Pneumatik das Strömungsverhalten der Luft wie kein anderer. Auch bei Entwicklung und Bau aktueller Zylinder- und Ventilgenerationen gilt es die Strömung der Luft optimal und effizient für die Automatisierungstechnik zu nutzen.
Eine Besonderheit des SmartBird ist die aktive Verdrehung der Flügel und die Tatsache, dass er ohne zusätzliche Auftriebshilfen auskommt. Die Zielvorgaben für den Bau des SmartBird waren eine energie- und ressourceneffiziente Gesamtstruktur mit minimalem Gesamtgewicht, begleitet von einer Funktionsintegration von Vor- sowie Auftrieb in den Flügeln und der Flugsteuerung im Rumpf- und Schwanzbereich. Weitere Anforderungen waren eine hervorragende Aerodynamik, eine hohe Leistungsdichte im Antrieb sowie eine maximale Agilität des Flugobjektes. Entstanden ist dabei ein intelligentes biomechatronisches Gesamtsystem.
Das agiert in der Praxis vor allem energieffizient: Vor- und Auftrieb werden, wie beabsichtigt, ausschließlich durch das Schlagen der beiden Flügel erzeugt und benötigen dabei lediglich rund 23 Watt Leistung. Dies bei einem Gesamtgewicht von ca. 450 Gramm und einer Flügelspannweite von zwei Metern. Bei Messungen konnten elektromechanische Wirkungsgrade bis 45 % und aerodynamische Wirkungsgrade bis zu 80 % ermittelt werden. So ist der SmartBird ein tolles Beispiel für die
Funktionsintegration, den ressourceneffizienten extremen Leichtbau und die optimale Nutzung der Strömungsphänomene in der Luft. Er wird für die weitere Optimierung zukünftiger Zylinder- und Ventilgenerationen wichtige Ansätze liefern.
Die On-Board-Elektronik ermöglicht eine präzise Ansteuerung der Flügel. Zusätzlich können die Steuerparameter in Echtzeit eingestellt und optimiert werden. Die Steuerung des Ablaufs von Flügelschlag und Verdrehung erfolgt im Millisekunden-Takt und bewirkt optimale Strömungsverhältnisse der Luft an den Flügeln. Das Flugmodell SmartBird kommt dabei in der Außenhülle ohne rotierende Teile aus und schließt damit die Gefahr von Verletzungen aus. So setzt es einen Ansatz fort, der bereits bei der Entwicklung des Bionischen Handling-Assistenten eine wichtige Rolle spielte: Die Mensch-Maschine- Interaktion. Diese läuft sowohl beim Bionischen Handling-Assistenten als auch beim SmartBird ohne ein Risiko für den Menschen ab. Damit reiht sich der SmartBird von Festo in die Liste zukunftsweisender Technologien ein, die auch in der Praxis eine Anwendung finden sollen. Mögliche Einsatzgebiete reichen von Hubflügelgeneratoren zur Energiegewinnung bis zu Stellantrieben in der Prozessautomation.
Mit Deutschem Zukunftspreis 2010 ausgezeichneter Bionischer Handling-Assistent:
Elefantenrüssel in weiteren Anwendungen Das Familienunternehmen Festo aus Esslingen a. N. setzt seit Jahren auf innovative und praxiserprobte Produkte. Erst 2010 gewann der Bionische Handling-Assistent den Deutschen Zukunftspreis und damit die höchste Auszeichnung Deutschlands für eine technische Spitzenleistung. Nach dem Vorbild des Elefantenrüssels gebaut, wird er mittlerweile als Greifwerkzeug und dritter Arm in der Produktion erprobt und ermöglicht in Zukunft ganz neue Arbeitsprozesse. Seine inhärente Nachgiebigkeit ermöglicht eine gefahrlose Kooperation mit dem Menschen und offeriert ihm dadurch ein breites Einsatzspektrum.
Robotino® XT: Mobiles Lernsystem um Greifarm erweitert
Doch damit nicht genug, geht Festo jetzt einen Schritt weiter: Beim Robotino® XT verbindet Festo das bisherige mobile Lernsystem mit dem Bionischen Handling- Assistenten, ermöglicht somit das Aufheben und Greifen von Gegenständen in Bodennähe und nähert sich dem Einsatz des Systems im alltäglichen Leben an.
Grundlage ist der von Festo Didactic entwickelte mobile Lernroboter Robotino®. Erweitert wird dieses bereits an Hoch- und Berufsschulen etablierte mobile Roboter
System, das sich mit Hilfe einer Kamera eigenständig im Raum bewegen kann, mit einer kompakten Version des Bionischen Handling-Assistenten, des Elefantenrüssels. Dieser wird in der neuesten Version einfach auf dem Robotino angebracht. Dadurch kann der Robotino® XT nicht nur auf engstem Raum manövrieren - mit Hilfe einer Steuerung lässt er sich über ein Gamepad flexibel bewegen, der Elefantenrüssel sich präzise ausrichten. Neueste Piezoproportional-Ventilinseln mit eigenem Druckregler dosieren die Druckluft in den Luftkammern exakt.
Die Nachgiebigkeit des Systems wird dabei durch die Bauform, das gewählte Material - Polyamid statt Metall - sowie über die Steuerung und Regelung definiert. Seine Struktur ist grundsätzlich biegsam und wird durch die pneumatische Regelung, also die Regelung durch Luftdruck, gezielt versteift, damit eine vorgegebene Bewegung im Raum nachgefahren werden kann. Im Falle eines Zusammenstoßes gibt das System sofort nach, ohne das gewünschte dynamische Gesamtverhalten zu verändern. Auch beim Ausfall von Elektronik oder Regelung ist es für den Menschen ungefährlich, da seine strukturinhärente Nachgiebigkeit zum Tragen kommt.
Der gesamte Rüssel inklusive des adaptiven Greifers ist als Leichtbauarm aufgebaut. Jedes Gramm Gewicht, das damit eingespart wird, erhöht die Mobilität des Gesamtsystems. Der Robotino® XT wird außerdem über zwei Membranpumpen im Druckbereich zwischen 0,3 und 2,5 bar als Niederdruckpneumatik betrieben. Im Gegensatz zur Standardpneumatik hat diese den Vorteil, dass weniger Energie für die Druckerzeugung verbraucht wird, das System also energieeffizient arbeitet. Auch die Herstellung erfolgt kosteneffizient: der Leichtbau wird durch neueste Verfahren der generativen Fertigungstechnologien, also ein "Drucken in 3 D" möglich.
Der Bionic Tripod 3.0 : Energieeffizientes und hochdynamisches Greifen über Kopf
Auf die Leichtbaumethode und Energieeffizienz sowie biologische Grundprinzipien setzt auch ein weiteres Produkt von Festo: Der Bionic Tripod. Das von der Fischflosse abgeleitete Grundprinzip der Struktur mit Fin Ray Effect® kommt im Bionic Tripod 3.0 gleich mehrfach zum Einsatz. Die durch energieeffiziente Leichtbauweise erzielte Flexibilität und Nachgiebigkeit zeichnen ihn ebenfalls besonders für Aufgaben mit Mensch-Maschine-Interaktionen aus. Mit dem Bionic Tripod 3.0 verfolgt Festo einen neuen Ansatz in der Handhabungstechnik als Alternative zu den im Maschinenbau vorherrschenden Portalsystemen. So sind beim
Bionic Tripod 3.0 Antriebs- und Handhabungstechnik konsequent entkoppelt. Die Arbeitsplatte trennt Arbeits- und Antriebsebene räumlich. Durch ihr geringes Gewicht lässt sich diese Einheit energieeffizient und hochdynamisch bewegen. Der niedrige Schwerpunkt des gesamten Systems verleiht ihm zusätzliche Stabilität für eine präzise Ausrichtung mit kurzen Verfahrwegen und spart so Energie ein. Mit seinem adaptiven Greiffinger kann der Tripod formschlüssig und sicher über Kopf greifen und Objekte unterschiedlichster Form und Kontur seitlich ablegen. Der flexible Greifarm ist dabei in einem Winkel bis zu 90 Grad in alle Richtungen schwenkbar, was ihm einen großen Arbeitsraum ermöglicht.
Der Bionic Tripod 3.0 kombiniert dabei die Vorteile der pneumatischen und elektrischen Automatisierungstechnik mit neuesten bionischen Ansätzen. Als Antriebseinheit dienen zwei elektrische Linearachsen EGC 70-160 an denen je zwei Pneumatik-Normzylinder DNC 32-160 montiert sind. Das Schwenkmodul DSM 6 ist als Dreheinheit am Ende der Stabpyramide an der Aufnahmeplatte befestigt. Der Radialgreifer HGR-16-A ist an jeder Backe mit zwei adaptiven Greiffingern DHDG-W-80 ausgestattet, welche das Greifen unterschiedliche geformter Objekte wie z.B. Reagenzgläser, Äpfel oder Glühbirnen ermöglichen. Ein CPX-Terminal dient der Steuerung und Regelung.
Überall dort, wo geringe Massen schnell und flexibel bewegt werden, kommt die Technologie zum Einsatz. Ob vertikal oder horizontal: Mit dem BionicTripod 3.0 und seinen beiden Vorgängern (BionicTripod 1.0 und BionicTripod 2.0) zeigt Festo, dass eine Trennung von Antriebs- und Arbeitsebene gleichzeitig maximale Flexibilität bedeutet.
OptoFluidic: zerstörungsfreie Echtzeitanalyse für die Prozessautomation
Während der BionicTripod schon zu den bewährten und weiter entwickelten Produkten von Festo gehört, präsentiert man mit der OptoFluidic in diesem Jahr eine noch relativ junge und interdisziplinäre Technologie. Sie steht sowohl für die Realisierung optischer Effekte und Komponenten als auch für die Analyse von bewegten Fluiden wie Flüssigkeiten und Gase, aber auch Schüttgüter, die durch Rohrleitungen und Armaturen fließen.
Die Technologie der OptoFluidic ermöglicht ihrem Anwender Diagnose- und Analyseverfahren, bei denen aus bewegten Fluiden bestimmte Eigenschaften erkannt und analysiert werden. Dabei wird das Fluid mit Informationen "aufgeladen", die später von den optischen Komponenten ausgelesen und bewertet werden können. Das Fluid wird somit zum Medium, das den Code für die optische Analyse in sich trägt.
Systemkomponenten wie Kameras und Sensoren visualisieren dabei die Diagnose in Echtzeit, ohne dass der Prozessablauf unterbrochen werden muss. In Zukunft könnten solche Analyseverfahren die bisherige zeitintensive Entnahme von Proben ersetzen und den Prozessfluss stabilisieren, die Komponentenzahl verringern und aufwendige Wartungen reduzieren.
Auch bei dieser Technologie setzt Festo als Basis wieder auf Phänomene aus der Natur: Ein Regenbogen beispielsweise entsteht, wenn Sonnenstrahlen auf Regentropfen treffen. Dabei werden die Sonnenstrahlen an den nahezu kugelförmigen Wassertropfen optisch gebrochen und in ihre spektralen Farbanteile zerlegt. Die Sonnenstrahlen werden mit Hilfe der Regentropfen analysiert und optisch als farbenfroher Regenbogen sichtbar.
Ergebnis dieser optischen Analyse ist, dass Sonnenstrahlen aus Spektralfarben bestehen. Umgekehrt analysieren die Sonnenstrahlen jeden Regentropfen in Echtzeit. Sie bilden das Ergebnis dann optisch in Form des Regenbogens ab.
Um die Vorgänge der OptoFluidic zu veranschaulichen und in Daten zu fassen, hat Festo nun den bionischen Versuchsträger OptoFluidic entwickelt. Dabei kann Festo auf Komponenten aus der optischen Technologie wie Kameras, Sensoren und LEDs, Laser oder Fotodioden zurückgreifen. Diese werden mit Elementen der Fluidtechnik, wie Ventile, Pumpen oder Mischer kombiniert, die den Fluss der Medien steuern.
Der Vorgang der Analyse ist bei der OptoFluidic in verschiedene Schritte unterteilt: Durch ein Ventil wird zunächst eine blaue in eine transparente Flüssigkeit gegeben. Die beiden nicht miteinander mischbaren Fluide fließen anschließend durch die Leitungen des Displays. Die blaue Flüssigkeit ist dabei das "intelligente Medium", das die nötigen Informationen für die optische Diagnose in sich trägt. Drei Stationen demonstrieren mögliche Analyse- und Trennschritte der Optofluidik.
Die erste Station enthält einen optischen Sensor vom Typ SOEC und die Kompaktkamera vom Typ SBOC. In Echtzeit analysiert diese Kamera das blaue Fluid auf seine Zusammensetzung und Eigenschaften hin und wertet Parameter wie beispielsweise das Volumen des blauen Tropfens aus. Hierzu wird die Software CheckKon und CheckOpti verendet. Ein Monitor zeigt die erfassten Daten an und ermöglicht eine Echtzeitüberwachung der Prozesse.
An der zweiten Station macht eine blaue LED - mit einer Wellenlänge von 490 nm - einen zuvor hinzugefügten fluoreszierenden Farbstoff sichtbar. Dieser Vorgang zeigt, wie es mittels OptoFluidic möglich ist, bestimmte Informationen durch optische Komponenten zu erfassen und auszulesen.
An der dritten Station erkennt schließlich ein optischer Sensor vom Typ SOEC die blaue Flüssigkeit. Mit Hilfe eines Ventils vom Typ VODA trennt das System die blaue von der transparenten Flüssigkeit. Das Trennverfahren demonstriert, wie präzise Prozessautomatisierungskomponenten von Festo diverse Fluide analysieren und steuern können. Ein CoDeSys Front End Controller CPX-CEC-C1 und einige CPX-E/A-Module steuern die komplette Applikation. Die CoDeSys-fähige Kompaktkamera ist direkt an der CPX-Steuerung angeschlossen und kommuniziert in Echtzeit über Ethernet.
Damit wird deutlich: OptoFluidic zeigt auf, wie effizient die Technologie als Diagnoseund Analyseverfahren in der Prozessautomation sein kann und in Zukunft sein wird. Die erfassten Daten und Kennzahlen werden hierbei in Echtzeit übermittelt, ohne den Prozess an sich zu unterbrechen. Optofluidik spart durch die Echtzeitanalyse die zeitintensive Entnahme von Flüssigkeitsproben und ihre Auswertung, automatisiert den Laborprozess. Die Auswahl richtig dimensionierter Lichtquellen maximiert dabei die Ressourceneffizienz und senkt den Energieverbrauch.
In Zukunft können optofluide Messverfahren eine große Rolle spielen - immer dann, wenn Fluide automatisch transportiert, behandelt, abgefüllt oder entsorgt werden müssen: in Klär- und Kraftwerken, Brauereien, bei der Papierherstellung, in Erdgasanlagen, in der Laborautomatisierung oder in der chemischen, pharmazeutischen und petrochemischen Industrie.

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Datum: 04.04.2011 - 09:00 Uhr
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