Entwicklung und Charakterisierung fluidmechanischer nachgiebiger Aktuatoren am Beispiel eines multifunktionalen Sauggreifers

Zum Greifen verschiedener Greifobjekte finden fluidmechanische nachgiebige Aktuatoren (FNA) auf Silikonbasis als Greifer zunehmend Verbreitung. Aufgrund der stoffschlüssigen Bauweise ermöglichen diese die Integration verschiedener Funktionen auf Strukturebene. Vor allem zur Senkung des Hygienerisikos sind FNA für Greifaufgaben in Reinräumen und der Verpackungsindustrie in Form geschlossener Sauggreifer besonders geeignet. Die Untersuchung derartiger Sauggreifer ist Gegenstand dieser Arbeit. Im Rahmen der Arbeit wird ausgehend von verschiedenen Anwendungen eine allgemeine Klassifikation für FNA vorgestellt und entwickelte FNA anhand dieser eingeordnet. Die Entwicklung von FNA wird am Beispiel des geschlossenen Sauggreifers detailliert beschrieben. Eine der Besonderheiten des geschlossenen Sauggreifers ist, dass er im Gegensatz zu offenen Sauggreifern greifobjektseitig eine Membran aufweist. Die Membran ermöglicht neben der Trennung des Mediums im Innenraum des Sauggreifers vom Umgebungsmedium, auch das aktive, zeitlich sowie örtlich gezielte Ablegen von Greifobjekten. Eine weitere Besonderheit des gewählten Beispiels ist dessen nichtlineare Federkennlinie. Diese führt zu einem Bewegungsverhalten mit Durchschlag und ermöglicht die Adaption an verschiedene Objektlagen und -formen. Durch Modellbetrachtungen und experimentelle Untersuchungen von ausgewählten Geometrie und Materialparametern werden Beeinflussungsmöglichkeiten der Durchschlaggrößen aufgezeigt. Die Formulierung einer allgemeinen Vorgehensweise für das Erreichen festgelegter FNA-Kennwerte bilden dabei einen wesentlichen Beitrag dieser Arbeit. Darüber hinaus werden prinzipielle Lösungen für die Implementierung einer stoffkohärenten sowie nachgiebigen Sensorik für FNA auf Silikonbasis vorgestellt. Die Umsetzung der Sensorik wird am Beispiel des Sauggreifers beschrieben. Die Möglichkeit zur Ableitung qualitativer Aussagen zu Greifzustand, Greifobjektleitfähigkeit sowie zu den Greifprozessphasen wird diskutiert. Die für die Herstellung und Erprobung des multifunktionalen Sauggreifers notwendigen neuartigen Werkzeuge, Vorrichtungen und Prozesse werden im Rahmen der Arbeit jeweils beschrieben. Durch die Gesamtschau der untersuchten FNA-Eigenschaften, nichtlinearen Kennlinie, Adaptivität sowie Sensorisierung liefert die Arbeit einen Beitrag zu multifunktionalen FNA sowie auch zum Vorgehen bei deren Entwicklung.Fluid-mechanical compliant actuators (FCAs) based on silicone are becoming increasingly common for grippers of different objects types. Due to the material-consistent design, FCAs enable the implementation of various functions on the structural level. FCAs in the form of closed suction grippers are particularly suitable for reducing the hygiene risk during gripping tasks in clean rooms and the packaging industry. This thesis focuses on the investigation and development of such suction grippers. Within the scope of the work, a general classification for FCAs is presented based on different application types. Multiple developed FCAs are classified accordingly. The development of FCAs is described in detail using the example of the closed suction gripper. One of the special features of the closed suction gripper is that, unlike open suction grippers, it comprises a membrane on the side of the object. In addition to separating the medium inside the suction gripper from the surrounding medium, this membrane enables the active release of objects at specific times and locations. The non-linear spring characteristic curve is another special feature of the selected example FCA. It leads to a movement behavior with snap-through characteristic and enables the adaption to different object positions and shapes. Different possibilities for influencing the snap-through variables are presented by means of model considerations and experimental investigations of selected geometries and material parameters. An essential contribution of this work is the formulation of a general procedure for achieving defined FCA parameters. In addition, generalized principles for implementing a silicone-based material-coherent and compliant sensor technology for FCAs are presented. The possibility of deriving qualitative statements on gripping state, gripping object conductivity and the gripping process phases is discussed. The new types of tools, devices and processes required for the production and testing of the multifunctional suction gripper are described in each case. By providing an overall view of the investigated FCA properties, nonlinear characteristics, adaptivity and sensorization, the work contributes to multifunctional FCAs as well as to their development procedure

Influence of silver/silver chloride electroless plating on the Shore hardness of polyurethane substrates for dry EEG electrodes

Dry electrodes enable a shorter preparation time for infant EEG. Since infant skin is more sensitive than adult skin, soft electrodes are required to reduce the mechanical stress for this sensitive skin. Thus, soft electrodes are crucial for eventual repetitive and long-term use like in neonatal intensive care units. A biocompatible polyurethane (PU) can be produced in low hardness resulting in a soft and flexible electrode substrate. Silver/silver chloride (Ag/AgCl) electroless plating provides a conductive, electrochemically stable coating but the process may alter the mechanical properties of the electrode substrate. In this study, we assess the hardness of PU material before and after Ag/AgCl plating. The test sample design for Shore hardness measurement is based on ISO 7619-1:2010. Sample production consists of a 3D print master model, silicone molding, PU casting, and finally electroless plating. UPX 8400-1 (Sika AG, Switzerland) is used for the sample substrates. Test samples are produced with 7 different Shore hardness (range A40-A95) and 14 samples (each hardness: 1 uncoated and 1 coated). The hardness measurements are carried out with a lever-operated test stand Shore hardness tester model with a digital hardness tester (TI-AC with HDA 100-1, KERN & SOHN GmbH, Germany). It is shown that there is a hardness increase (Shore A) due to Ag/AgCl coating with a grand average of 1.1±0.7 (p<0.05). The largest increase of 2.1±0.2 is seen on the initial lowest Shore hardness sample (Shore hardness: 43.4±0.1). The absolute increase of hardness due to the Ag/AgCl coating decreases with increasing substrate hardness. It is concluded that there is no strong hardness increase of PU substrates due to Ag/AgCl plating. Therefore, the material is suitable as a soft electrode for repetitive and long-term use in infant applications

Nachgiebiges Sensorsystem zur Ermittlung von Scherkräften

In diesem Beitrag wird ein neuartiges, komplett nachgiebiges Sensorsystem zum Erfassen des Betrages und der Richtung einer wirkenden Scherkraft oder der Verteilung von Scherkräften auf einer Oberfläche vorgestellt. Das System besteht aus leitenden und nicht leitenden Silikonen und erreicht seine Funktion über die große Verformbarkeit dieser hochelastischen Materialien. Die Funktionsfähigkeit der vorgeschlagenen geometrischen Gestalt wird mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) geprüft. Anschließend wird das Sensorsystem aufgebaut und mittels Versuche wird das gewählte Prinzip zur Ermittlung der Richtung und des Betrages einer Scherkraft verifiziert.This paper presents a novel completely flexible sensor system for detecting of magnitude and direction of applied shear force or distribution of shear forces on the surface. The sensor system consists of conductive and nonconductive silicone rubber. The principle is based on the large deformation capacity of these highly elastic materials. The functionality of proposed shape is tested using the finite elements method (FEM). Subsequently the sensor system is constructed and the selected principle for detecting of magnitude and direction of shear force is verified

Kennlinien eines nachgiebigen fluidmechanischen Antriebes zur Erzeugung einer schraubenförmigen Bewegung - Vergleich Simulation und Messaufbau

In diesem Beitrag wird ein nachgiebiger fluidmechanischer Antrieb, mit dem eine schraubenförmige Bewegung für das Heranführen von trockenen Elektroden auf die Kopfoberfläche erzeugt werden kann, untersucht. Es werden die simulierten und gemessenen Kennlinien für Lastmomente von ML = -0.4 Nm bis 0.2 Nm in Schritten von 0.2 Nm miteinander verglichen. Der Antrieb hat eine Höhe und einen Durchmesser von jeweils 50 mm, besteht aus Silikon Elastosil ® 4644 und kann in einem Druckbereich von 0 bis 1 bar betrieben werden. Dabei erreicht dieser ohne Last einen Drehwinkel von ca. 100° und einen Hub von ca. 29 mm. Diese Werte können durch Lastmomente vergrößert werden. Im Bereich von 0 ≤ p ≤ 500 mbar arbeitet der Antrieb überwiegend nach dem Prinzip der Faltung und erzeugt dabei eine nahezu lineare Schraubenkennlinie. Im Bereich von 500 < p ≤ 1000 mbar arbeitet der Antrieb überwiegend nach dem Prinzip der Dehnung und erzeugt hauptsächlich einen Hub, der nahezu unabhängig vom Lastmoment ist. Die Abweichung für Hub und Drehwinkel zwischen dem Ansys® FEM Simulationsmodell und dem Funktionsmuster sind im Bereich für p ≥ 200 mbar ohne Lastmoment unter Berücksichtigung eines experimentell bestimmten Reibmoments kleiner als 10 %. Somit können ergänzend zur Entwicklung und Untersuchung von fluidmechanischen Antrieben Simulationsmodelle eingesetzt werden.In this paper a compliant fluid-mechanical drive which provides a helical motion for adduction of dry electrodes on the surface of the head is investigated. The simulated and measured characteristics is compared at load torque of ML = -0.4 Nm to 0.2 Nm in steps of 0.2 Nm. The drive has a height and a diameter of 50 mm. It consists of silicone Elastosil ® 4644 and can be used in pressure range from 0 to 1 bar. Advantageously, the drive reaches a rotational angle of approximately 100° and a stroke of about 29 mm. These values can be increased by load torque. In the range from 0 ≤ p ≤ 500 mbar, the drive operates mainly on the principle of folding. In addition, the drive generates a nearly linear helical curve. In the range of 500 < p ≤ 1000 mbar, the drive operates mainly on the principle of strain. Hence, the drive generates a stroke, which is almost independent of the load torque. Furthermore, the deviations of angle of rotation and stroke of the Ansys® FEM simulation model and functional model are in the range of p ≥ 200 mbar without load torque, in consideration of an experimentally determined friction torque, less than 10 %. The simulation models can be used in addition to the development and investigation of fluid-mechanical drives

Konzeptionierung und Konstruktion einer äquibiaxialen Zugvorrichtung

Ziel dieses Beitrags ist die Konzeption und Konstruktion einer Vorrichtung, welche einen planaren äquibiaxialen Zugversuch unter Zuhilfenahme einer uniaxialen Zugmaschine ermöglicht. Die Wandlung der uniaxialen Bewegung in eine äquibiaxiale wird mittels eines Reckrahmens realisiert. Die Vorrichtung ist in eine handelsübliche uniaxiale Zugmaschine integrierbar. Die damit durchführbaren Versuche bilden, neben uniaxialen und pure shear Versuchen, die Grundlage zur Ermittlung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens von Silikon. Die so ermittelten Spannungs-Dehnungs-Kurven können anschließend zur Finiten-Elemente-Simulation komplexer Silikonstrukturen verwendet werden.The aim of this paper is the development and the design of a device achieving a planar equibiaxial tension test. The transformation of the uniaxial into an equibiaxial motion is realized by an stretching frame. The device can be integrated in a commercial uniaxial tension machine. Hereby, the possible equibiaxial test, in addition to uniaxial and pure shear tests, is fundamental for determination of the stress-strain behavior of silicone rubber. For this reason, the measured stress-strain curves can be used to simulate complex silicone structures by means of FEM