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

Das beantragte Vorhaben beschäftigt sich mit der Erforschung von Ansätzen zur Automatisierung von Handhabungsprozessen bei der Kryokonservierung und -lagerung von biologischem Material. Die generellen Vorteile der Prozessautomatisierung gegenüber dem rein manuellen Prozess liegen einerseits in dem Ausschluss von Gesundheitsgefährdungen des Personals durch Probenkontakt oder Kälteverbrennungen, andererseits wird ein versehentliches Vertauschen der Proben oder deren Beschädigung durch Temperaturschwankungen verhindert. Außerdem ist zu erwarten, dass die Effizienz, Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit der Handhabungsprozesse gesteigert wird. Als ein vielversprechender Ansatz wird die Verwendung eines Manipulators verfolgt, der auf einer parallelkinematischen Struktur basiert. Solche Strukturen ermöglichen die Entkopplung der Antriebstechnik vom Tieftemperaturbereich (-130°C bis -196°C), indem die Antriebsbewegung über passive Gelenke an den Endeffektor übertragen wird. Hierfür soll innerhalb des beantragten Förderzeitraums der Einsatz von Festkörpergelenken untersucht werden, da konventionelle Gelenke, bspw. basierend auf Wälz- oder Gleitlagern, für tiefe Temperaturen hinsichtlich Schmierung und Verschleiß ungeeignet sind bzw. verklemmen können. Zusätzlich werden Heizkonzepte für solche Gelenke erforscht, um deren Elastizität, d.h. Beweglichkeit und Lebensdauer hinsichtlich der vorherrschenden tiefen Temperaturen gezielt zu beeinflussen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Heizkonzepte auf die Umgebung analysiert, um negative thermische Wechselwirkungen zu minimieren. Vor diesem Hintergrund wird die Erforschung von Methoden zur kontaktlosen Energieübertragung sowie von Ansätzen zur Energiespeicherung oder besser Energiepufferung bei tiefen Temperaturen anvisiert. Dies ermöglicht darüber hinaus die Verwendung eines am Endeffektor angebrachten energieautarken Greifsystems zum Greifen von Probenbehältnissen. Zur Aktuierung des Greifers werden konventionelle Piezoelemente genutzt, die, wenn auch eingeschränkt (z.B. Reduzierung der Auslenkung auf 60% bei -196°C und unipolarer Ansteuerung ), in solchen Temperaturbereichen Verwendung finden können. Die Funktionsfähigkeit der erarbeiteten Technologien wird anhand einzelner Demonstratoren mit definierten Testszenarien validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen