Neue Greiftechnik für ein sanftes Handling empfindlicher Materialien

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INM Leibniz - Institut für Neue Materialien gGmbH

Kontaktaufspaltung für bessere Haftung

Obwohl Van-der-Waals-Kräfte relativ schwach sind, können sie für praktische Anwendungen genutzt werden. Sie werden nämlich verstärkt durch das Prinzip der Kontaktaufspaltung: eine Kontaktfläche, die in mehrere Einzelkontakte aufgespaltet ist, haftet besser als die gleiche Fläche ohne jegliche Feingliederung [1]. Ein möglicher Erklärungsweg ist der folgende: Für den Ablöseprozess muss zunächst ein Riss zwischen dem Kontakt und der Substratoberfläche erzeugt werden. Nach der Rissentstehung wandert dieser unter geringerem Energieaufwand bis zum vollständigen Ablösen entlang der Grenzfläche. Somit ergibt sich für eine Haftfläche, bestehend aus zahlreichen Einzelkontakten, ein größerer Energiebedarf für das Ablösen als für eine homogene, unstrukturierte Kontaktfläche, da nicht nur ein, sondern viele initiale Risse erzeugt werden müssen.

Das INM hat schon frühzeitig das Potenzial dieses sogenannten Gecko-Effekts für industrielle Anwendungen erkannt und sich wesentliche Patentrechte gesichert. Darüber hinaus wurde der Markenname Gecomer für dieses Gebiet registriert. Mit fotolithografisch hergestellten, kleinen Laborproben im Quadratzentimeterbereich wurde am INM die Anwendbarkeit dieser Technologie für die Robotik demonstriert. Durch die besondere Strukturierung ist es mittlerweile möglich, zwischen einem adhäsiven und einem nicht adhäsiven Zustand mechanisch zu schalten. Im Jahr 2014 stellte das INM einen mit kleinflächigen Modellstrukturen ausgerüsteten Industrieroboter, den „Gecobot“ auf der internationalen Messe Tech Connect World in den USA, sowie 2015 bei der Nano Tech in Tokio und bei der Hannover-Messe vor.

Besondere Alleinstellungsmerkmale dieser Technologie – im Vergleich zu üblichen Vakuum- und Bernoulli-Greifern – sind die Möglichkeiten des rückstandsfreien und sanften Handlings empfindlicher Materialien, insbesondere auch im Vakuum, sowie besondere Energie- und Ressourceneffizienz durch den Wegfall von zum Beispiel Magnet- und Saug- beziehungsweise Druckluftsystemen. Durch Anpassung der Strukturen und Werkstoffe lassen sich mittlerweile nicht nur unterschiedlich raue Oberflächen handhaben, sondern auch die Haft- beziehungsweise Haltekräfte normal und parallel (Scherung) zur Orientierung der Geckostrukturen einstellen. Für glatte Substrate erzielt das INM mittlerweile eine normierte Haftkraft in Normalrichtung von deutlich mehr als 1 N/cm².

So wird diese Technik in erster Linie praxistaugliche und ressourcenschonende Handling-Systeme, etwa in der Autoindustrie, ermöglichen. Der Markt für Pick-and-Place-Systeme allein im Automobilbereich belief sich 2013 auf über 250 Mio. Euro, wobei rund 100 Mio. Euro auf Europa entfielen. Zudem sind Anwendungen für Greifsysteme in der Papier- und Verpackungsindustrie erkennbar. Schließlich bieten sich spezielle hoch skalierte Gecomer-Strukturen aufgrund ihrer Vakuumtauglichkeit auch für das Aufsammeln von Weltraumschrott an. MM

Literatur

[1] Arzt, E., Gorb, S., & Spolenak, R. (2003). From micro to nano contacts in biological attachment devices. PNAS, 100(19), 10603–10606.

[2] Autumn, K.,et al. (2002). Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. PNAS, 99, 12252–12256.

[3] Autumn, K.,et al. (2006). Dynamics of geckos running vertically. J. Exp. Biol. 209(2), 260-272.

[4] Hiller, U. (1968). Untersuchungen zum Feinbau und zur Funktion der Haftborsten von Reptilien. Zeitschr. für Morph. der Tiere, 62(4), 307-362.

[5] Wang, Z. Y., Wang, J. T., Ji, A. I., Zhang, Y. Y. (2011). Behavior and dynamics of gecko’s locomotion: The effects of moving directions on a vertical surface. Sci. Bull., 56(6), 573-583.

[6] Weitlaner, F. (1902). Eine Untersuchung über den Haftfuss des Gecko. Verh. zool. bot. Ges. Wien, 52, 328–332.

* Dr. Karsten Moh, Dr. René Hensel und Dr. Vera Bandmann sind wissenschaftliche Mitarbeiter am INM. Prof. Eduard Arzt ist Vorsitzender der Geschäftsführung INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in 66123 Saarbrücken, Tel. (06 81) 93 00-0, contact@inm-gmbh.de

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