Roboter-Greifer für die Lebensmittelindustrie - Produktspezifische Lösungen

Mechanische Greifer gibt es entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung in sehr unterschiedlichen Ausführungen. Eine grundsätzliche Einteilung unterscheidet zwischen Einfinger-, Zweifinger- oder Mehrfingergreifern jeweils in starrer, starr-gelenkiger oder elastischer Ausführung. Angetrieben werden können diese mechanisch, pneumatisch oder elektrisch, wobei der pneumatische Antrieb aufgrund seiner einfachen Handhabung weit verbreitet ist.

Seit Anfang dieses Jahrhunderts stehen die ersten mechanischen Greifer zur Verfügung, die unter konsequenter Anwendung der Regeln des Hygienic Designs für den direkten Kontakt mit Lebensmitteln konstruiert wurden. Damit sind diese aber nicht nur für die Lebensmittelindustrie interessant, vielmehr sind sie auch zum Einsatz in der Produktion medizinischer oder pharmazeutischer Produkte geeignet. Zu den ersten derartigen Greifern zählten die Greifmodule der Produktreihe LMG von Schunk, die mit ihrem komplett abgedichteten Gehäuse aus korrosionsbeständigem, poliertem Edelstahl ohne Probleme den branchenüblichen Reinigungs- und Desinfektionsmitteln widerstanden und die sogar mit Hilfe von Hochdruckreinigern gesäubert werden konnten. Von der Konstruktion her handelte es sich um Winkelgreifer mit einem einstellbaren Öffnungswinkel von 20° bis 180°. Um den Verlust eines Lebensmittels bei Druckabfall zu verhindern, waren die Greifer mit einer Greifkrafterhaltung durch eine integrierte Feder ausgestattet. Zur schlauchlosen Versorgung des Greifers mit Druckluft für die Greiferbetätigung diente ein Direktanschluss. Während die LMG-Reihe nicht mehr am Markt verfügbar ist, werden ähnliche Greifmodule heute von zahlreichen Herstellern angeboten.

Um ein Lebensmittel optimal handhaben zu können, müssen die Greiferfinger an die Eigenschaften des jeweiligen Lebensmittels angepasst werden. In der Praxis bedeutet dies, dass nur relativ wenige Fingertypen standardmäßig für mechanische Greifermodule angeboten werden. In den meisten Fällen werden sie bedarfsgerecht gestaltet und kundenspezifisch produziert. 

War dies früher nur unter großem Aufwand zu realisieren, so eröffnet der industrielle 3D-Druck seit rund 10 Jahren schier unbegrenzte Möglichkeiten von Greifer- und Saugerlösungen, welche sich auch wirtschaftlich darstellen lassen. Im Jahr 2015 hat Lehmann & Voss mit Luvosint 65-8824 ein Polypropylen (PP) für das Lasersintern von Robotergreifern auf den Markt gebracht, das wiederum neue Innovationen ermöglicht. Aufgrund der geringen spezifischen Dichte ist das Material etwa 10 % leichter als PA12, was bei Roboteranwendungen mit hohen Geschwindigkeiten von großer Bedeutung ist. Die hohe Zähigkeit des Materials ermöglicht zudem die Konstruktion platzsparender, druckluftbetriebener Aktoren. Und da Luvosint 65-8824 keine Feuchtigkeit aufnimmt, versprödet es nicht durch den Kontakt mit trockener Druckluft. Für Lebensmittelanwendungen überaus bedeutend ist dabei, dass dadurch auch ein mikrobieller Bewuchs verhindert wird.  

Neben mechanischen Greifern gibt es eine Vielzahl von Greifersystemen, welche auf Basis der Vakuumtechnik arbeiten. Um diese weitverbreiteten Systeme funktionell und wirtschaftlich gestalten zu können gilt es, durch entsprechende Bauformen ein Optimum aus Tragkraft, Druckluftverbrauch, Toleranz gegenüber Produktresten wie etwa abgelösten Panadepartikeln sowie Toleranz gegenüber einer Druckluftleckage zu schaffen, wie sie durch unvollständige Abdeckung der Ansaugfläche entstehen kann.

Abb. 5: Beispiele für Vakuumsauger

Als Beispiel für einen Fall, in dem Sauger besonders an die vorgegebenen Bedingungen bei der Applikation angepasst werden mussten, sei die Umsetzung von verpackten Wurstwaren in Kartons angesprochen. Der kritische Punkt lag in diesem Fall in der Tatsache, dass die Oberfläche der Verpackung flexibel ist und die Folie nachgibt. Experten von FIPA schlugen deshalb den Einsatz von Ovalsaugern 1,5 Balgen vor, welche auf Alu-Platten vulkanisiert sind. Höhendifferenzen, welche unter anderem durch die Biegeschlaffheit der Wurstpackungen entstehen, werden durch die Balgen ausgeglichen. Die Alu-Platte sorgt für die flächige Stabilität der Sauger und im Oval des Saugers angeordnete Abstützrippen verhindern das Einsaugen der Folie. Unterstützt wird der Arbeitsgang dadurch, dass sich die flexiblen Lippen der aus Vinyl gefertigten Sauger gut an die Oberflächenbeschaffenheit der Verpackungen anpassen.

Im Hinblick auf die Lebensmittelsicherheit ist zu bedenken, dass im Zuge des Arbeitsprozesses Teile der Saugglocken in das Lebensmittel gelangen können. Daher werden heute Maßnahmen getroffen, derartige Teile detektieren und somit wieder aussortieren zu können. Eine Möglichkeit besteht darin, die Sauger blau zu färben, eine Farbe, die in Lebensmitteln selten vorkommt und daher schnell gesehen wird. Effektiver ist aber der Einsatz von Saugern, welche aus einem Material bestehen, das mit Hilfe von Metalldetektoren aufgespürt werden kann. Ein Beispiel hierfür ist Silikon, das mit geringen Mengen eines Metalloxids dotiert ist.

Zu den jüngeren Innovationen auf dem Gebiet der Vakuumgreifer zählt eine Entwicklung des Deutschen Institutes für Lebensmitteltechnik e. V. (DIL) in Quakenbrück. Zielsetzung war ein Greifersystem, das einfach und vollständig reinigbar sowie unter den Bedingungen in der Lebensmittelindustrie möglichst vielseitig anwendbar ist. Um die Flexibilität bei der Handhabung von Lebensmitteln mit stark variierenden Abmessungen gewährleisten zu können, wurde dabei auf das Prinzip der Unterdrucksauger (Vakuumgreifer) zurückgegriffen. Im Gegensatz zu bisher verfügbaren Vakuumgreifern wird die Haltekraft für das Produkt hierbei über einen Unterdruck zwischen Greifer und Lebensmitteloberfläche aufgebracht. Bei der Auslegung und Konstruktion der sogenannten HDHF-Greifer (Hygienic Design, High Flux) wurden konsequent die Anforderungen des Hygienic Designs berücksichtigt, ohne dass dadurch die Vorteile des Vakuumgreifers beeinträchtigt werden. So wird der notwendige Unterdruck hierbei direkt im Greifer erzeugt, so dass es keine Schläuche oder Rohrleitungen gibt, die innen verschmutzen können. Weiterhin wurde der Greifer so konstruiert, dass Verstopfungen durch abgesaugte Produktpartikel weitgehend ausgeschlossen sind. Durch eine geeignete Luftführung bei der Erzeugung des Vakuums aus Druckluft wurde ein hoher Luftverstärkungsfaktor integriert, so dass auch bei teilweise luftdurchlässigen Objekten noch ein sicherer Transport möglich ist. Mittels einer geeigneten Sensortechnik ist es zudem möglich, definierte Kräfte zu applizieren und den erfolgreichen Transportvorgang zu dokumentieren bzw. die Anzahl der eingelegten Objekte mitzuzählen. Alle Teile des Greifers sind aus lebensmittelgeeignetem Edelstahl bzw. aus entsprechenden Kunststoffen hergestellt. Das Greifkonzept selbst basiert auf der Kombination des universell einsetzbaren HDHF-Vakuumerzeugers mit einer produktspezifischen Greifglocke. Die Abstimmung der Saugglocke mit dem jeweiligen Produkt ist wenig problematisch, da die Saugglocken mit einem 3D-Druckverfahren realisiert werden können. In einigen Fällen lassen sich auch kommerziell erhältliche Gummisauger auf den HDHF adaptieren. Wie die bisherigen Erfahrungen zeigen, können fast alle nichtflüssigen Lebensmittel mit Hilfe dieses Greifers gehandhabt werden. 

Tab. 5: HDHF- und HDB-Greifer im Vergleich [Franke und Hukelmann, 2014]

(* HDB = Hygienic Design, Bernoulli) 

Moderne Greifsysteme bestehen aus einem grundlegenden Wirkprinzip, einer mechanischen Konstruktion mit kinematischem Aufbau und elektronischen Elementen. Um diese Systeme inklusive der Sensorik und der dahinterstehenden Logik komplett zu beschreiben, reichen CAD-Daten alleine nicht aus. Hier stellt das mechatronische Modell die nächste konsequente Stufe dar, in der die mechanischen und elektronischen Komponenten inklusive ihrer Logik und ihres Verhaltens beschrieben werden. Damit kann ein mechatronisches Modell nicht nur für die Planung, sondern auch für die Inbetriebnahme, die Programmierung, die Überwachung und die Optimierung während der Produktion herangezogen werden.

So, wie Gerätelieferanten heute die CAD-Daten ihrer Komponenten und Greifer bereitstellen, wünschen sich System­integratoren und Kunden entsprechende mechatronische Modelle, die in einem einheitlichen und kompatiblen Format alle relevanten mechatronischen Eigenschaften beschreiben. Mit AutomationML (Automation Markup Language) steht dazu etwa aus der Automobilindustrie ein neutrales Datenformat zur Verfügung, das Geometrie, Kinematik und Logik standardisiert zusammenfasst. Genauso wie HTML den Aufbau einer Webseite mit Text, Bild und Logik beschreibt, kann AutomationML den funktionalen Aufbau von einzelnen Baugruppen, komplexeren Anlagen und ganzen Fabriken beschreiben.  Der direkte Signalaustausch kann dann im Idealfall direkt über die herstellerneutrale OPC-UA Schnittstelle erfolgen. Die Kombination von AutomationML und OPC-UA bietet einsatzfähige Standards, die eine maximale Flexibilität und sehr viele Einsatzmöglichkeiten bieten. „Open Platform Communications Unified Architecture, kurz OPC-UA, ist eine plattformunabhängige, service-orientierte Architektur mit der Fähigkeit, Maschinendaten (Regelgrößen, Messwerte, Parameter usw.) nicht nur zu transportieren, sondern auch maschinenlesbar semantisch zu beschreiben“. (Quelle: de.wikipedia.org/wiki/OPC_Unified_Architecture)

Der ökonomische Druck, hygienische Anforderungen, eine unverzichtbare, zuverlässige Dokumentation und Rückverfolgbarkeit, Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz sowie nicht zuletzt der zunehmende Mangel an qualifizierten Arbeitskräften sind die wesentlichen Faktoren, welche auch die Lebensmittelindustrie dazu zwingen, die Automatisierung ihrer Betriebe und Produktionen voranzutreiben. Wenn dabei auch gleichzeitig das Thema Industrie 4.0 berücksichtigt wird, so kommt man um die Flexibilität der Roboter nicht herum. Hieraus resultiert ein enormes Zukunftspotenzial für die Roboterhersteller, aber auch für die Entwickler und Hersteller von Greifern. Wenn diesbezüglich in den letzten Jahren auch bedeutende Fortschritte erzielt worden sind, so ist auf dem Gebiet der Greiferentwicklung doch noch erhebliche Arbeit zu leisten, um den vielfältigen Anforderungen der verschiedenen Branchen der Lebensmittelindustrie gerecht werden zu können. Angesichts der vielfältigen Besonderheiten in den verschiedenen Branchen der Lebensmittelindustrie wäre hierbei eine noch engere Zusammenarbeit mit den kompetenten Greiferherstellern zu begrüßen, um die Greifer anhand konkreter Aufgabenstellungen weiterzuentwickeln und eventuell auch noch zu erforschende Aspekte zu formulieren. Ohne Frage bleibt die zukünftige Entwicklung bei Greifern weiterhin herausfordernd und spannend! 

• Franke, K.: Roboter in der Lebensmittelherstellung – Lösungsansätze der DIL-Robotik. Vortrag im Rahmen des AUTOMATICA FORUMS Future Markets: Von der Lebensmittelindustrie bis zur Medizintechnik. 09.06.2010, München
• Franke, K.; Hukelmann, B.: Roboter in der Lebensmittelherstellung – Lösungsansätze der DIL-Robotik. Vortrag auf dem GDL Kongress Lebensmitteltechnologie. 16.-18.10.2014, Rodgau
• Hesse, S.; Greifertechnik. Effektoren für Roboter und Automaten. © 2011 Carl Hanser Verlag, München
• Hesse, S.; Monkmann, G.J.; Steinmann, R.; Schunk, H.: Robotergreifer. © 2004 Carl Hanser Verlag, München

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