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Supraleiter trifft Virtual Reality

Festo auf der Hannover Messe 2016 Geht’s um die Fertigung der Zukunft und um energiearme, reibungsfreie Bewegung, kommt Supraleitern eine ganz besondere Bedeutung zu – ein spannender Bereich, in dem der Automatisierungsspezialist Festo immer wieder mit interessanten Forschungsergebnissen und ungewöhnlichen Anwendungen aufhorchen lässt.

In der CP Factory, der Lernfabrik der Zukunft, verbindet Festo Didactic die virtuelle Lernwelt mit der realen.

In der CP Factory, der Lernfabrik der Zukunft, verbindet Festo Didactic die virtuelle Lernwelt mit der realen.

Reibung ist der Schlüssel zu höchster Energieeffizienz in der Bewegung – und zwar am meisten dann, wenn sie nicht vorhanden ist. Um diesen Zustand zu erreichen, wird in der Technik zu allerlei genialen Tricks gegriffen. Immer öfter kommen dabei Supraleiter ins Spiel, das sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten „Sprungtemperatur“ schlagartig auf Null fällt. Das erlaubt es auch, das Feld eines Permanentmagneten in einem definierten Abstand „einzufrieren“ und ihn so schweben zu lassen. Der entstehende Spalt bleibt in jeder Raumlage stabil. Auf diese Weise lassen sich Objekte ganz ohne komplexe Regelungstechnik berührungslos lagern und mit wenig Energieaufwand bewegen – ein spannendes Forschungsfeld für Festo und seine Forschungspartner.

Das Werkstück selbst sagt der Bearbeitungsstation was zu tun ist. Über RFID und angebrachte Codes wird die lückenlose Dokumentation möglich.

Das Werkstück selbst sagt der Bearbeitungsstation was zu tun ist. Über RFID und angebrachte Codes wird die lückenlose Dokumentation möglich.

Sprungtemperatur steigt

War noch vor einigen Jahren die aufwendige Kühlung das Problem der Supraleiter-Technik, so hat sich mittlerweile in diesem Bereich einiges getan. Auch liegt die Sprungtemperatur bei neueren Materialien höher und ist somit leichter zu erreichen. Für die ideenreiche Automationswelt eröffnet das ein breites Spektrum an Möglichkeiten. Einige davon hat Festo bereits in die Tat umgesetzt – drei neue Exponate werden auf der kommenden Hannover Messe Industrie von 25. bis 29. April in Halle D präsentiert.

Mobile, autonome Roboter wie der Robotino XXT werden in der Fabrik der Zukunft eine große Rolle spielen – in der CP Factory von Festo sind sie schon heute im Einsatz.

Mobile, autonome Roboter wie der Robotino XXT werden in der Fabrik der Zukunft eine große Rolle spielen – in der CP Factory von Festo sind sie schon heute im Einsatz.

Aktive Kühlung der Supraleiter

Festo setzt bei den neuen Forschungsträgern auf Hochtemperatur-Supraleiter aus keramischem Material. Ihre Sprungtemperatur liegt bei etwa 93 Kelvin (-180° C), sodass die Anlagen energieeffizient und unabhängig von Kühlmedien, wie flüssigem Stickstoff, betrieben werden können. Die aktuell verwendeten Stirling-Kühler haben einen Energiebedarf von maximal 80 Watt pro Kryostat (Kühlbehälter), wodurch geringe Betriebskosten anfallen. Sobald man unterhalb der Sprungtemperatur ist, kann die notwendige Kühltemperatur je nach Systemanforderung mit der Regelung exakt festgelegt werden – soll der Supraleiter z. B. mehr Last tragen, wird er auf niedrigere Temperaturen gekühlt. Dank der gespeicherten Kälteenergie ist der Betrieb der drei Exponate selbst bei einem Stromausfall für mehrere Minuten gewährleistet. Die Lebensdauer der Kühler beträgt bereits bis zu zehn Jahre.

Auf der Hannover Messe 2016 präsentiert Festo die neuesten Konzepte aus der Supraleiter-Forschung.

Auf der Hannover Messe 2016 präsentiert Festo die neuesten Konzepte aus der Supraleiter-Forschung.

Über Wasser schweben

Ein Transportschlitten gleitet berührungslos über eine Wasserfläche, ein schwebender Greifer hält einen Stab und lässt ihn wieder los und eine runde, magnetische Scheibe gleitet durch ein mit Flüssigkeit gefülltes Rohr – mit Supraleitern sind bislang undenkbare Anwendungen in der Automatisierungstechnik möglich. Festo forscht gemeinsam mit Partnern immer stärker in Richtung konkreter Anwendungen.

Mit SupraJunction wird in Hannover eine Lösung präsentiert, die den berührungslosen Transport von Objekten über geschlossene Oberflächen hinweg und durch Schleusen hindurch ermöglicht. Zwei Trägerplatten schweben Dank an ihrer Unterseite angebrachten Magnetschienen über den Supraleitern. Sie transportieren kleine Glasbehälter auf einem Rundkurs, indem sie von einem Supraleiter-Element auf einem Transportsystem zum nächsten Element auf einem anderen Handlingsystem übergeben werden.

Mit SupraJunction zeigt Festo den berührungslosen Transport von Objekten auf einem Rundkurs über geschlossene Oberflächen hinweg und durch Schleusen hindurch.

Mit SupraJunction zeigt Festo den berührungslosen Transport von Objekten auf einem Rundkurs über geschlossene Oberflächen hinweg und durch Schleusen hindurch.

Berührungslose Übergabe

Bei der berührungslosen Übergabe von einem Kryostat zum anderen zieht ein Elektromagnet, der an einer elektrischen Achse befestigt ist, die Trägerplatte in Wirkrichtung der Magnetschienen auf den nächsten Kryostaten. Damit realisiert Festo erstmals die automatisierte Übergabe von einem System zu einem anderen in der Waagerechten und ermöglicht den schwebenden Transport in langen Prozessketten und über Systemgrenzen hinweg. Während des gesamten Vorgangs schweben die Platten über einem flachen Wasserbecken. Trägersystem und Automatisierungstechnik sind damit komplett voneinander getrennt, was die Komponenten vor Verschmutzung schützt und eine sehr einfache Reinigung ermöglicht – ideal für eine Anwendung in der Verpackungsindustrie, der Laborautomation, Medizintechnik, Nahrungsmittel- oder der Pharmabranche.

Bei der Übergabe von einem Kryostat zum anderen zieht ein Elektromagnet die Trägerplatte in Wirkrichtung der Magnetschienen auf den nächsten Kryostaten.

Bei der Übergabe von einem Kryostat zum anderen zieht ein Elektromagnet die Trägerplatte in Wirkrichtung der Magnetschienen auf den nächsten Kryostaten.

Greifen bei räumlicher Trennung

Als weiteren Forschungsträger zeigt Festo einen „SupraGripper“, bei dem zwei Greifer mit je drei Fingern frei über zwei halbmondförmigen Platten schweben. Mit dieser Technologie können z. B. Objekte durch eine Abtrennung hindurch oder in geschlossenen Räumen gegriffen und transportiert werden, was sich etwa für Reinräume anbietet oder für die Arbeit in Gasen, Vakuum oder in Flüssigkeiten.

Der Schwebeeffekt wird durch insgesamt drei Kryostate erzielt, die unterhalb der Platten verbaut sind und sich nach oben und unten fahren lassen. Dadurch schweben die Greifer entweder über den Platten oder werden auf ihnen abgelegt.

Zusätzlich können die beiden Platten mithilfe von zwei Drehantrieben rotiert und gezielt positioniert werden, so dass sich die beiden Greifer von einem Kryostaten zum nächsten transportieren lassen. Um ein Objekt zu greifen, geben auf den Kryostaten sitzende elektrische Spulen einen Impuls ab. Dieser löst bei Bedarf die gespeicherte Verbindung zu den magnetischen Greiferelementen oder stellt sie wieder her. Durch diesen Impuls klappen die einzelnen Fingerelemente nach unten oder oben, wodurch sich die Greifer öffnen oder schließen.

Immer öfter kommt in der Aus- und Weiterbildung Virtual Reality zum Einsatz. Einfach das Handy oder Tablet hinhalten und schon wird das Magnetfeld des Supraleiters sichtbar.

Immer öfter kommt in der Aus- und Weiterbildung Virtual Reality zum Einsatz. Einfach das Handy oder Tablet hinhalten und schon wird das Magnetfeld des Supraleiters sichtbar.

Rotation in einem geschlossenen Rohr

Das dritte Exponat heißt SupraTube. Bei ihm ist an den beiden Enden einer mit Flüssigkeit gefüllten, geschlossenen Glasröhre außen jeweils ein Rundkryostat mit Supraleitern angebracht. Innerhalb der senkrecht stehenden Röhre befindet sich ein Magnetpuck, der auf beide Kryostate mit einem Schwebeabstand von etwa fünf Millimetern gepinnt ist und zu Beginn unter dem oberen Kryostaten hängt. Ein Magnetring um die Kryostate wird mit Hilfe eines Schrittmotors in eine Drehbewegung versetzt, die er auf den schwebenden Magneten überträgt. Dieser wird mit einem elektrischen Impuls vom Kryostat abgestoßen und treibt in einer Kreiselbewegung abwärts. Am unteren Ende wird er von dem Supraleiter im anderen Kryostat wieder eingefangen und zentriert.

Kontaktfrei reinigen

SupraTube zeigt, wie eine Bewegung in einer Röhre ohne Durchgriff von außen gesteuert ausgeführt werden kann. So könnten mit einem etwas abgewandelten Aufbau Antriebe mit einer Supraleiter-Magnetkopplung entlang der Längsachse des Rohrs verbaut werden, die ein Reinigungsgerät völlig kontaktfrei hindurchziehen. Alternativ könnte der Inhalt eines geschlossenen Behälters – etwa gefährliche Stoffe oder explosive Gase – in eine rotative Bewegung versetzt werden.

Ebenfalls im wahrsten Sinne des Wortes kontaktfrei verbindet eine weitere zukunftsträchtige Technologie die virtuelle Welt mit der realen: Virtual Reality. Sie erlaubt das anschauliche Darstellen von Abläufen, Prozessen, Effekten oder anderen sonst nicht unmittelbar erkennbaren Inhalten – höchst interessant z. B. für die Maschinenüberwachung, in der Instandhaltung oder der Aus- und Weiterbildung.

Lernen für Industrie 4.0

Langwieriges Erklären war gestern – moderne Aus- und Weiterbildung sieht anders aus. Immer öfter kommt Virtual Reality zum Einsatz. Sie erlaubt es, direkt an der Anlage aufzuzeigen, worum es geht. Einfach das Handy oder Tablet hinhalten und schon wird dank QR-Code-Erfassung das Magnetfeld des Supraleiters sichtbar, ein Blick in das Innere des gerade heizenden Industrieofens möglich oder jeder Knopf und jedes Lämpchen auf der Maschine bezeichnet und ausführlich erklärt – weiterführende Verlinkungen und eine Echtzeiteinspielung der Maschine inklusive. Festo Didactic setzt beim Lernen für Industrie 4.0 auf Technologien, wie sie in der Fabrik der Zukunft zum Einsatz kommen werden. Mit der CP Factory präsentiert das Unternehmen auf der Hannover Messe eine Lernfabrik der nächsten Generation, die bereits wichtige Aspekte der Automation von morgen abbildet.

Mobile Fabrikmodule mit offenen Schnittstellen

Die CP Factory bietet standardisierte, mobile Fabrikmodule, offene Schnittstellen, die Industriestandards entsprechen und die Möglichkeit zum „Plug & Produce“. Das heißt: zusammenbauen und mit der Lernproduktion starten. Dabei wurde auf Vielseitigkeit und höchste Flexibilität besonderer Wert gelegt. Die Lernplattform für Industrie 4.0 führt Auszubildende schrittweise an das Thema cyberphysische Systeme heran. Dazu gehören Schlüsselthemen wie RFID, NFC und die Nutzung der Cloud. Schnell lässt sich die CP Factory für verschiedene Lernszenarien umbauen und das ein oder andere neue Applikationsmodul anbinden. Unterstützt wird die Wandlungsfähigkeit der Lernfabrik durch das autonome Robotersystem Robotino und hochflexible Roboterzellen mit integrierten Kameras.

Jedes einzelne Werkstück verfolgen

Eines der Hauptziele von Industrie 4.0 ist es, individualisierte Produkte in Losgröße 1 zu annähernd gleichen Produktionskosten wie in einer Serienfertigung zu ermöglichen. Einer der Bausteine dazu ist die eindeutige Identifikation und Verfolgung jedes einzelnen Werkstücks während des gesamten Fertigungsprozesses und die lückenlose Dokumentation jedes tatsächlich erfolgten Arbeitsschritts mit allen Kenndaten. In der CP Factory dient das „digitale Produktgedächtnis“ auf RFID-Basis zur Steuerung der einzelnen Produkte zu den verschiedenen Bearbeitungsstationen. Diese reagieren dann auf die RFID-Daten und führen die vom Produkt angeforderten Produktionsschritte aus.

Flexibel wandelbare Lernfabrik

Die Basismodule der CP Factory können mit verschiedensten Applikationsmodulen bestückt werden. Der Tausch dieser Module erfolgt dank standardisierter Schnittstellen in wenigen Minuten. Einheitliche Systemkabel und eine Produktionszelle mit Transportverzweigung ermöglichen schnelle Layoutwechsel mit einer raschen Inbetriebnahme. Zusätzlich erweitert wird die Wandlungsfähigkeit der CP Factory durch das autonome Robotersystem Robotino, das die Intralogistik durch Selbstnavigation und freie Zielwahl per Mausklick unterstützt.

Energieverbrauch im Blick

Das integrierte Energiemonitoring der CP Factory ermöglicht die zuverlässige Erfassung der elektrischen Leistung und der Durchflüsse. Dadurch wird der Lernfokus um aktuelle Themen der energieeffizienten und energieflexiblen Produktion erweitert. Eine webbasierte Visualisierung macht die Energieflüsse auf unterschiedlichen Endgeräten sichtbar und ermöglicht so eine rasche Bewertung. Zudem bindet die Smart-Grid-Lernsoftware EISLab die CP Factory in ein virtuelles Smart-Grid ein und zeigt den Zusammenhang von verschiedenen Verbrauchern, Speichern und Energieerzeugern auf.

Produktionszellen rufen Informationen ab

Im Produktionsleitsystem MES4, das speziell für den Einsatz in Lernfabriken entwickelt wurde, laufen die wesentlichen Produktionsdaten zusammen. Offene Datenbanken und transparente Schnittstellen bieten die Voraussetzung zum effizienten Lernen und einfachen Experimentieren. Die Service Oriented Architecture (SOA) von MES4 ermöglicht es den Produktionszellen, bei Bedarf Informationen abzurufen – ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen und starr hierarchisch gegliederten Software-Architekturen.

Üben wie in echt

Simulationen und virtuelle Inbetriebnahmen sparen im Maschinenbau Zeit und Geld – im Schulungsbereich bilden sie eine besonders praxisorientierte Trainingsmethode. Auszubildende können in Arbeitsgruppen Modelle mit realen Programmiersprachen programmieren, simulieren und anschließend an der vorhandenen Hardwareumgebung nutzen. Mit Ciros bietet die CP Factory eine industriell erprobte und leistungsfähige Plattform für 3D-Simulationsmodelle in der Automatisierungstechnik – ein weiterer Baustein der Lernwelt für die virtuelle Fertigung der Zukunft.

Mehr Informationen zur Supraleiter-Forschung, den neusten Lösungen für die Aus- und Weiterbildung in der Technik und den bionischen Highlights von Festo gibt es auf der Hannover Messe Industrie in Halle 15, Stand D07 und in Halle 17, Stand A38.

www.festo.at

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