Anwendungsorientierte Untersuchungen zur hochdynamischen Handhabung von Solarzellen mit Parallelrobotern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des Projektes war es, einerseits die Vorteile von parallelkinematischen Roboterstrukturen im Anwendungsfeld der Solarzellenproduktion zu evaluieren und anderseits die Greifertechnik vor dem Hintergrund steigender Dynamikanforderungen und sinkender Materialdicken der Solarwafer zu analysieren. Somit transferiert das Projekt Erkenntnisse des SFB 562 „Robotersysteme für die Handhabung und Montage“ in die industrielle Anwendung. Industriell begleitet wurde das Projekt und insbesondere die Untersuchungen zur Greifertechnologie von einem Industriepartner, wodurch eine Erweiterung und ein Transfer von Methodenwissen, Optimierungsansätzen für Solarzellengreifer und Funktionsintegration stattfinden konnte. Die wesentliche Fragestellung im Anwendungsgebiet resultierte aus den wirtschaftlich notwendigen Zykluszeiten bei der Handhabung von Solarzellen und der Empfindlichkeit ihres Werkstoffs. Die Roboter und Greifertechnik müssen diesen Randbedingungen gerecht werden, so dass im Projekt eine Vielzahl von Parametern im Handhabungsprozess untersucht wurde. Die wesentlichen Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt. Zunächst wurden die Anforderungen der Gerätetechnik zur Handhabung von Solarzellen mit paralleler Grundstruktur evaluiert. Dem Stand der Technik entsprechend wurden entlang der Wertschöpfungskette alle möglichen Handhabungsoperationen anhand verschiedener Kriterien (Bewegungsform, Weg, Anzahl zu handhabender Zellen) untersucht. Anschließend wurde eine Potenzialanalyse verfügbarer Robotersysteme durchgeführt, wobei auch die im SFB 562 entwickelten Funktionsmuster integriert und bewertet wurden. Anhand des Erfüllungsgrads basierend auf den Anforderungen konnte die Einsatzfähigkeit überprüft werden. Ebenfalls ausgehend von der Anforderungsanalyse wurden alternative Parallelkinematiken auf ihre Anwendung für die Solarzellenhandhabung hin analysiert und synthetisiert. Entsprechend dieser Anforderungsanalyse ist die prinzipielle Eignung des Roboters TRIGLIDE, ein Funktionsmuster des SFB 562, festgestellt worden. Auf dieser Basis wurden prototypische Sortier- und Pick-and-Place Operationen mit diesem Roboter realisiert. Im Bereich der Greifertechnik stand die schonende Handhabung von Solarzellen bei möglichst hoher Dynamik im Vordergrund. Für diesen vermeidlichen Zielkonflikt sind unterschiedliche Greiferprinzipien mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen anwendbar, die im Laufe des Projekts simulativ und experimentell charakterisiert wurden. Im Projekt wurden Vakuumsauggreifer, Bernoulli- und Vakuumflächengreifer untersucht. Zunächst wurden die verschiedenen Greifer segmentiert, ihre Eigenschaften analysiert und miteinander verglichen. Um auch Aussagen über die Beanspruchung des Werkstoffes durch den jeweiligen Greifer treffen zu können, wurde die mechanische Belastung auf die Waferoberfläche mittels FEM ermittelt. Hierbei wurden ebenfalls sinkende Waferdicken berücksichtigt, die für zukünftige Anwendungen relevant sind. Anhand der Simulationsergebnisse wurden Normalspannungen und Verformungen ermittelt und bruchmechanische Berechnungen zugeführt, um die verschiedenen Greifer auf Werkstoffebene miteinander vergleichen zu können. Im experimentellen Bereich wurden die wesentlichen Parameter des Handhabungsprozesses (Energieeffizienz, Haltekraft etc.) in Abhängigkeit der Betriebskennwerte (im wesentlichen Druck) der verschiedenen Greifer untersucht. Ferner wurde die Dynamik der TRIGLIDE Roboterstruktur genutzt, um unter anderem die Prozesssicherheit der einzelnen Greifer zu untersuchen. Betrachtungsgegenstand der Experimente war hier u.a. Haltefähigkeit in Aufnahmerichtung, minimale Betriebskennwerte, rotatorische bzw. translatorische Verschiebung bei hoher Dynamik. Um die Funktionalität der Greifer zu erhöhen, wurden im letzten Arbeitspaket Integrationsmöglichkeiten für Sensoren am Endeffektor evaluiert und konzeptionell ausgearbeitet. Ziel war es hierbei, Produktionsoder Qualitätsdaten zu extrahieren, um die wertschöpfungsfreie Zeit während der Handhabung effektiv zu nutzen. In einen Prototypengreifer (Vakuumflächengreifer) des Projektpartners wurde ein Wirbelstromsensor zur Doppellagenkontrolle sowie ein Ultraschallsensor zur Abstandsmessung zwischen Greiferund Zelloberfläche integriert. Die Funktionalität der beiden Sensoren wurde anschließend evaluiert. Darüber hinaus wurde noch ein Vakuumflächengreifer für Solarzellen entwickelt und prototypisch realisiert, der durch materialinherente Porosität fähig ist, die Kraft gleichmäßig über die Fläche zu verteilen. Dies konnte in ersten Versuchen nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- High Dynamic Handling of Solar Cells – Future challenges of Robotic Systems. 7th Advanced PV Manufacturing Forum, München, 2011
Schmitt, Jan; Raatz, Annika
- Comparative Analysis of Pneumatic Grippers for Handling Operations of Crystalline Solar Cells. 5th IASTED Conference on Power and Energy Systems, Phuket, Thailand, 2012, ISBN 978-0-88986-910-3
Schmitt, Jan; Bruhn, Matthias; Raatz, Annika
- Requirement Oriented Reconfiguration of Parallel Robotic Systems. In: Ashish, Dutta, Robotic Systems – Applications, Control and Programming, INTECH, 2012, S. 387-410, ISBN 978-953-307-941-7
Schmitt, Jan; Inkermann, David; Stechert, Carsten; Raatz, Annika; Vietor, Thomas
