Methoden zur Automatisierung von Handhabungsprozessen unter kryogenen Umgebungsbedingungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Frank Ihmig; Professorin Dr.-Ing. Annika Raatz
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349906175

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurden Methoden zur Automatisierung von Handhabungsprozessen bei der Kryokonservierung und -lagerung von biologischem Material erforscht. Dies war und ist weiterhin notwendig, weil eine Prozessautomatisierung im zur Langzeitlagerung von biologischem Material relevanten Tieftemperaturbereich von -130 °C bis -196 °C nicht existiert. Entscheidende Vorteile einer Automatisierung bei kryogenen Temperaturen gegenüber dem vorherrschenden rein manuellen oder teilautomatisierten Prozess bei darüber liegenden Temperaturen bestehen einerseits in dem Ausschluss von Gesundheitsgefährdungen des Personals und andererseits in der Verhinderung einer Beeinträchtigung der Qualität der Proben durch Temperaturschwankungen. Ziel des Projektes war es, die grundlegenden Technologien für die Realisierung eines robotergestützten Handhabungssystems zu erforschen und erste Funktionsmuster zu fertigen. Dazu wurde die optimale parallelkinematische Roboterstruktur, die eine Platzierung der Antriebe außerhalb der kryogenen Arbeitsumgebung ermöglicht, geeignete Konstruktionswerkstoffe sowie mechanische und elektrische Komponenten aus den Anforderungen des anvisierten Prozesses ermittelt. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten von Festkörpergelenken, die im Vergleich zu konventionellen Gelenkmechanismen in kryogener Arbeitsumgebung eingesetzt werden können. Darüber hinaus waren vier weitere Ansätze Forschungsgegenstand des Projektes: Methoden zur Beheizung der Festkörpergelenke, Gestaltung von monolithischen Greifmechanismen, Auslegung einer elektromechanischen Greiferaktuierung sowie die Erforschung von Konzepten zur drahtlosen Energieübertragung in das Innere des tiefkalten Arbeitsraums. Die Ergebnisse des Projektes zeigen deutlich, dass Methoden und Funktionsmuster von Komponenten für eine Automatisierung von Handhabungsprozessen unter kryogenen Umgebungsbedingungen erfolgreich erforscht und entwickelt werden konnten. Die grundlegende Funktion einzelner entwickelter Komponenten wie der Festkörpergelenke, des mechatronischen Greifsystems sowie der induktiven Energieübertragung konnte in experimentellen Untersuchungen nachgewiesen werden. Es liegen Methoden zur systematischen Auslegung von Gelenkgeometrien, Parallelroboterstrukturen, Greifermechatronik und drahtloser Energieübertragung für das geplante Anwendungsszenario der automatisierten Probenhandhabung in Kryobanken vor.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Kryokonservierung: Eiskalter Job für Parallelroboter. In: phi - Produktionstechnik Hannover informiert
  Jahn, P.
  
• Automatisierung von Handhabungsprozessen in einer tiefkalten Arbeitsumgebung. (reviewed extended abstract und Vortrag), Digitaler Tagungsband zur 6. IFToMM D-A-CH Konferenz 2020
  Jahn P. & Raatz A.
  
• Numerical simulation and statistical analysis of a cascaded flexure hinge for use in a cryogenic working environment. Annals of Scientific Society for Assembly, Handling and Industrial Robotics, 81-94. Springer Berlin Heidelberg.
  Jahn, Philipp & Raatz, Annika
  
• Roboterkomponenten für den kryogenen Arbeitsraum. In: Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2020: Deutscher Kälte‐ und Klimatechnischer Verein e.V.
  Jahn P., Ihmig F., Olsommer Y., Biehl M. & Raatz A.
  
• Design of a parallel robot with additively manufactured flexure hinges for a cryogenic work environment. Procedia CIRP, 103, 280-285.
  Jahn, Philipp; Ihmig, Frank & Raatz, Annika
  
• Robotergestützte Handhabung im kryogenen Arbeitsumfeld. (reviewed abstract; Paper und Vortrag), Tagungsband der Digital- Fachtagung VDI Mechatronik 2021, S. 164-169
  Ihmig F., Koch T., Biehl M., Jahn P. & Raatz A.
  
• Combined Structural and Dimensional Synthesis of a Parallel Robot for Cryogenic Handling Tasks. Annals of Scientific Society for Assembly, Handling and Industrial Robotics 2021, 65-77. Springer International Publishing.
  Schappler, Moritz; Jahn, Philipp; Raatz, Annika & Ortmaier, Tobias
  
• Design and Analysis of a Compliant Parallel Robot with Cardan Joints for a Cryogenic Working Environment. Advances in Robot Kinematics 2022, 220–227.
  Jahn, Philipp; Hentschel, Jakob & Raatz, Annika
  
• Induktive Energieübertragung in eine kryogene Umgebung. In: Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2022: Deutscher Kälte‐ und Klimatechnischer Verein e.V.
  Olsommer Y., Jahn P., Raatz A. & Ihmig F.