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Die Erfindung betrifft ein Greifverfahren zum Greifen von Objekten, insbesondere zum Greifen von technischen Folien, Membranen, Platten oder Scheiben, wobei mehrere Greifabschnitte mit jeweils einem freien Ende mit einer Haftstruktur vorgesehen sind, und wobei zum Aufnehmen und Halten des Objekts an den Haftstrukturen bei Kontakt mit dem Objekt van-der-Waals-Kräfte bereit gestellt werden. Die Erfindung betrifft außerdem zugehörige Greifvorrichtungen.
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Van-der-Waals-Kräfte sind seit langem bekannt und basieren auf relativ schwachen nicht-kovalenten Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen. Kommen sich zwei Atome beziehungsweise Moleküle nahe genug, so ziehen sich die Teilchen insbesondere dann einander an, wenn sich zwei temporäre Dipole treffen. Trifft ein temporärer Dipol auf ein Teilchen ohne Dipolmoment, dann induziert der Dipol in dem Nicht-Dipol ein gleichgerichtetes Dipolmoment, wodurch ebenfalls eine Anziehungskraft zwischen beiden Teilchen entsteht.
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Geckos nutzen diese van-der-Waals-Kräfte, um ohne Klebstoff oder Saugnäpfe an Flächen zu haften. Die Unterseiten ihrer Füße weisen eine große Anzahl feinster Härchen auf. Jedes Härchen kann nur eine kleine Kraft übertragen. Durch die hohe Zahl reicht die Summe der Kräfte dennoch dafür aus, dass das Tier kopfunter an Decken laufen kann. Dies ist auch auf glatten Flächen wie etwa Glas möglich. Zum Lösen der Füße an den glatten Flächen setzen die Tiere ihre Muskelkraft ein.
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Aus der
EP 2 662 320 A1 ist bekannt, diesen Geckoeffekt unter Verwendung von van-der-Waals-Kräfte zum Aufnehmen eines Objekts vorzusehen. Es ist auch gelungen künstliche Materialien bereitzustellen, die „klebrige“, auf van-der-Waals-Kräften beruhende Oberflächen aufweisen (beispielsweise die sogenannte Gecomer® Technologie, siehe https://www.gecomer-technologies.com). Als problematisch hat sich allerdings das Ablegen mit derartigen, van-der-Waals-Kräfte bereitstellenden Materialien aufgenommenen und gehaltenen Objekten herausgestellt. Bisher ist es nicht gelungen, die „klebrigen“ Oberflächen „auszuschalten“.
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Ferner besteht das Bedürfnis folienartige oder plattenartige und insbesondere technisch sehr empfindliche Objekte wie Folien, Membranen, Platten oder Scheiben sicher aufnehmen, halten und absetzen zu können. Bei derartigen Objekten darf die Oberflächen beim Greifen weder mechanisch noch magnetisch und/oder elektrostatisch beansprucht werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Solche Objekte können beispielsweise im Batteriebau vorzusehende Folien sein. Diese Folien sind hoch sensibel und werden insbesondere als Kathodenfolie, Elektrodenfolie oder Separatorfolie verwendet.
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Für derartig empfindliche Objekte kommen mechanische Greifer oder Vakuumgreifer aufgrund der auftretenden mechanischen Einflüsse nicht in Betracht. Problematisch bei der Nutzung von Vakuumgreifern sind lokale Deformationen, bzw. Beschädigungen der Folien. Weiterhin darf für zukünftige Generationen von beispielsweise Batteriefolien kein molekularer Sauerstoff in der umgebenden Atmosphäre sein. Daher müssen Vakuumgreifer insbesondere mit Inertgas betrieben werden, was die Produktionskosten von Batterien steigen lassen wird. Durch den Luftstrom (auch bei Inertgas) bei Verwendung eines Vakuumgreifers werden Teile der (partikulären) Oberfläche der sehr empfindlichen Batteriefolien, speziell der Elektrodenfolien, abgetragen und führen zur Kontamination der Anlage. Weiterhin ist das Ablösen der Batteriefolien von den Vakuumgreifern problematisch. Hierfür muss üblicherweise ein Druckstoß mit Luft durch den Vakuumgreifer erfolgen (Überdruck), welcher ebenfalls zu lokalen Deformationen der Folien und möglicherweise zu einer Verschiebung der Ablageposition führt.
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Magnetgreifer mit entsprechend ausgebildeten Elektromagneten eignen sich ebenfalls aufgrund der elektromagnetischen Felder nicht. Auch elektroadhäsive Greifvorrichtungen, bei denen elektrische Felder zur Erzielung von elektrostatischen Anziehungskräften erzeugt werden, sind für derartige Anwendungen nicht geeignet, da die elektrischen Felder bzw. die elektrostatischen Anziehungskräfte solche Objekte negativ beeinflussen und beschädigen können.
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Ein Aufnehmen und Halten solcher empfindlicher Objekte ist zwar mit den bekannten, van-der-Waals-Kräfte bereitstellenden Materialien möglich. Ein definiertes Ablegen der gegriffenen Objekte durch ein gezieltes „ausschalten“ der van-der-Waals-Wechselwirkungen ist bisher nicht möglich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Greifverfahren sowie eine Greifvorrichtung bereitzustellen, mit der insbesondere folien- oder membranartige Objekte nicht nur mittels van-der-Waals-Kräften funktionssicher aufgenommen und gehalten, sondern auch funktionssicher abgelegt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 8 und 9.
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Erfindungsgemäß wird folglich vorgeschlagen ein Greifverfahren zum Greifen eines Objekten bereit zu stellen, wobei mehrere Greifabschnitte mit jeweils einem freien Ende mit einer Haftstruktur vorgesehen sind, wobei zum Aufnehmen und Halten des Objekts an den Haftstrukturen bei Kontakt mit dem Objekt van-der-Waals-Kräfte bereit gestellt werden, und wobei zum Ablegen des Objekts die Haftstrukturen temporär elektrisch oder elektrostatisch derart beeinflusst werden, dass die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Haftstrukturen verringert oder aufgehoben werden. Die Beeinflussung der Haftstrukturen hat dabei so zu erfolgen, dass die Dipole der Haftstrukturen umgeladen werden, so dass deren Wechselwirkung mit den Dipolen des Objekts verändert um die Anziehungskraft zu verringern oder aufzuheben. Dabei ist vorteilhaft, wenn zur elektrischen oder elektrostatischen Beeinflussung die Haftstrukturen entsprechend elektrisch geladen werden.
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Damit ist es möglich Objekte, die mit van-der-Waals-Kräften aufgenommen und gehalten werden, gezielt abzulegen. Anders als bei anderen bekannten Greifverfahren erfahren die gegriffenen Objekte keine merklichen mechanischen, elektrischen und/oder elektrostatischen Einflüsse, da das Bereitstellen und auch Aufheben der van-der-Waals-Kräfte auf atomarer bzw. molekularer Ebene wirkt. Insbesondere im Unterschied zu elektroadhäsiven Greifverfahren werden auch keine merklichen externen elektrischen Felder zur Erzielung von elektrostatischen Anziehungskräften bereitgestellt. Die Interaktion zwischen den Haftstrukturen und dem gegriffenen Objekt findet gemäß der Erfindung zwischen den atomaren bzw. molekularen Dipolen statt.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zum elektrischen Laden der Haftstrukturen ein Spannungspuls an den Haftstrukturen angelegt wird. Der Spannungspuls kann dabei vergleichsweise kurz und derart sein, dass die Dipole der Haftstrukturen kurzzeitig umgeladen werden, so dass das gegriffene Objekt abgelegt werden kann. Hintergrund ist folgender: Bringt man zwei unterschiedliche Materialien in Kontakt, so verschiebt sich zwischen diesen elektrische Ladung aufgrund unterschiedlicher Bandlücken und Bandpositionen bzgl. eines „Normalpotentials“. Wird nun ein hinreichend kurzer und insbesondere schnell ansteigender Spannungspuls an ein Material - in diesem Fall die Haftstrukturen - angelegt, so kann sich - bei geeigneter Materialwahl - aufgrund gleichgerichteter elektrischer Ladungen kurzzeitig eine Auflösung der für die van-der-Waals Wechselwirkung verantwortlichen Dipole erfolgen. Das Objekt kann dann der Schwerkraft folgend abgelegt werden. Denkbar ist auch, dass durch den Spannungspuls eine abstoßende Kraft zwischen den Haftstrukturen und dem Objekt aufgebaut wird. Ist diese Kraft größer als die attraktiven van-der-Waals-Wechselwirkungen, kommt es ebenfalls zu einer gezielten Ablösung des Objekts.
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Gemäß der Erfindung ist auch denkbar, dass zum Ablegen des Objekts eine äußere, auf das Objekt wirkende elektrostatische Lösekraft bereitgestellt wird, die größer ist als die zwischen den Haftstrukturen und dem Objekt wirkenden van-der-Waals-Kräfte. Im Unterschied zu bekannten, elektroadhäsiven Greifern erfolgt hier nicht das Aufnehmen und Halten aufgrund von elektrostatischen Kräften, sondern das gezielte Ablegen des gegriffenen Objekts.
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Dabei ist denkbar, dass eine Ablagefläche, auf der das Objekt abgelegt wird, mit einer zum Objekt verschiedenen elektrischen Ladung derart versehen wird, dass beim Ablegen des Objekts auf die Ablagefläche die Lösekraft bereitgestellt wird. Zwischen dem Objekt und der Ablagefläche werden dann folglich elektrostatische Anziehungskräfte ausgebildet.
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Denkbar ist auch, dass die Ablagefläche mit einer solchen Ladung versehen wird, dass die Dipole an der Struktur so beeinflusst werden, dass die van-der-Waals-Kräfte aufgehoben werden.
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Bei elektrisch leitfähigen Objekten, wie beispielsweise Kathoden- oder Elektronenfolien, kann an geeigneter Stelle eine dünne Schicht eines Dielektrikums eingebracht werden. Diese kann die Grenzfläche zwischen elektrisch leitfähiger Haftstruktur und Objekt oder zwischen Objekt und elektrisch leitfähiger Ablagefläche sein. Im Falle hinreichend feiner Haftstrukturen können diese auch vollständig aus einem geeigneten dielektrischen, also nicht leitfähigen Material sein.
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Bei elektrisch nicht leitfähigen Objekten können die Haftstrukturen sowie die Ablagefläche elektrisch leitfähig sein und als „Kondensatorplatten“ fungieren. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Kontaktoberfläche der Haftstrukturen am Objekt geringer ist als die Kontaktoberfläche des Objekts an der Ablagefläche, wodurch die resultierende attraktive Kraft zwischen Objekt und Ablagefläche in Summe größer ist als die Haftkraft zwischen Haftstrukturen und Objekt, sodass es zu einer gezielten Ablösung kommen kann.
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Gemäß der Erfindung werden auch Greifvorrichtungen zum Aufnehmen, Halten und Ablegen eines folienartigen Objekts, insbesondere zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, mit mehreren Greifabschnitten, wobei die Greifabschnitte jeweils ein freies Ende mit einer Haftstruktur derart aufweisen, dass an den Haftstrukturen bei Kontakt mit dem Objekt van-der-Waals-Kräfte zum Aufnehmen und Halten des Objekts wirken, und wobei eine elektrische Einrichtung vorgesehen und derart eingerichtet ist, dass zum Ablegen des Objekts
- - die Haftstrukturen temporär elektrisch geladen werden, so dass die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Haftstrukturen verringert oder aufgehoben werden, und/oder
- - eine äußere, auf das Objekt wirkende elektrostatische Lösekraft bereitgestellt wird, die größer ist als die zwischen den Haftstrukturen und dem Objekt wirkenden van-der-Waals-Kräfte.
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Die Greifvorrichtung kann dabei eine Ablagefläche zur Ablage des Objekts umfassen, die insbesondere mittels der Einrichtung mit einer entsprechenden elektrischen Ladung versehen werden kann. Aufgrund der Ladung kann eine elektrostatische Anziehung erreicht werden und/oder es können die Dipole an der Haarstruktur „abgeschalten“ werden.
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Dabei ist vorteilhaft, wenn die Greifabschnitte von elastisch nachgiebigen, sich quer zur Ausrichtung eines Grundkörpers erstreckenden Fingern mit den Haftstrukturen an deren freien Enden gebildet werden. Insbesondere dann, wenn elektrisch leitende Objekte gegriffen werden sollen, ist zudem vorteilhaft, wenn die Haftstrukturen auf der dem zu greifenden Objekt benachbarten Seite eine dielektrische Beschichtung aufweisen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer ein Beispiel der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
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Es zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Greifvorrichtung; und
- 2a), 2b) und 2c): drei verschiedene Ausführungen der Haftstrukturen der Greifvorrichtung gemäß 1.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Greifvorrichtung 10 gezeigt, die einen Grundkörper 12 und eine Vielzahl am Grundkörper 12 angeordnete, im Wesentlichen senkrecht dazu abstehenden Greifabschnitten 14 aufweist. Die Greifabschnitte 14 sind dabei als elastisch nachgiebige, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Finger ausgebildet. An den freien Enden der Greifabschnitte 14 sind Haftstrukturen 16 vorgesehen. An den Haftstrukturen 16 werden zum Aufnehmen und Halten eines Objekts 18 in Form einer dünnen Folie bei Kontakt mit dem Objekt 18 van-der-Waals-Kräfte bereitgestellt. An den Haftstrukturen 16 bilden sich beim Greifvorgang die entsprechend polarisierten Dipole aus.
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Die Haftstrukturen 16 können auf unterschiedliche Art und Weise bereitgestellt werden. Wie in dem vergrößerten Ausschnitt II der 1 in 2a gezeigt ist, können die Haftabschnitte 16 beispielsweise durch Rußpartikel und/oder Kohlenstoffnanoröhren 20 realisiert sein. Denkbar ist auch, - wie in 2b gezeigt ist - die Haftabschnitte 16 mittels metallischen Mikrofäden 24 zu realisieren. An den freien Enden der Haftabschnitte 16 kann, wie in 2c gezeigt ist, eine elektrisch nicht leitende Polymerbeschichtung 26 vorgesehen sein. Eine solche Beschichtung 26 kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn das zu greifende Objekt 18 elektrisch leitend ist.
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Zum Aufnehmen und Halten des Objekts 18 wird der Grundkörper 12 mit den Greifabschnitten 14, bzw. mit deren Haftstrukturen 16, an das zu greifende Objekt angelegt. Aufgrund der atomaren und/oder molekularen Wechselwirkungen zwischen den Haftstrukturen 16 und dem zu greifenden Objekt 16 treten van-der-Waals-Kräfte auf, aufgrund derer das Objekt 18 an den Haftstrukturen 16 haftet. Das an den Haftstrukturen 16 haftende Objekt 18 kann dann beispielsweise gehandhabt und/oder zu einer Ablagefläche 26 verlagert werden.
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Das Lösen des Objekts 18 von den Haftstrukturen 16 und ein damit einhergehende Ablegen des Objekts 18 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
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Zum einen können zum Ablegen des Objekts 18 die Haftstrukturen 16 temporären elektrisch geladen werden, so dass die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Haftstrukturen 16 verringert oder aufgehoben werden. Die elektrische Ladung der Haftstrukturen 16 hat dabei so zu erfolgen, dass die Dipole der Haftstrukturen 16 umgeladen werden und damit deren Wechselwirkungen mit Dipolen des Objekts 18 so verändert werden, dass die Anziehungskraft verringert oder aufgehoben wird. Zur temporären, entsprechenden elektrischen Ladung der Haftstrukturen 16 ist eine Steuereinheit 28 vorgesehen, mit der ein Spannungspuls an den Haftstrukturen 16 zu deren Umpolung angelegt werden kann. Damit ist es möglich, die aus den van-der-Waals-Kräften resultierenden Anziehungskraft gezielt „auszuschalten“, wodurch ein funktionssicheres Ablegen des Objekts 18 am gewünschten Ort ermöglicht wird.
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Zum anderen kann zum Ablegen des Objekts 18 eine äußere, auf das Objekt 18 wirkende elektrostatische Lösekraft bereitgestellt wird, die größer ist als die zwischen den Haftstrukturen 16 und dem Objekt 18 wirkenden van-der-Waals-Kräfte. Dabei kann die Ablagefläche 26 mittels der Steuereinheit 28 mit einer zum Objekt 18 verschiedenen elektrischen Ladung versehen wird, so dass beim Ablegen des Objekts 18 elektrostatische Anziehungskräfte auf das Objekt 18 zur Bereitstellung der Lösekraft wirken. Bei elektrisch nicht leitfähigen Objekten können die Haftstrukturen 16 sowie die Ablagefläche 26 elektrisch leitfähig sein und als „Kondensatorplatten“ fungieren. Insbesondere dann, wenn das Objekt 18 vollflächig an der Anlagefläche 26 zum Anliegen kommt ist die Kontaktoberfläche der Anlagefläche 26 am Objekt 18 größer als die Kontaktoberfläche der Haftstrukturen 16 am Objekt 18. Hierdurch kann es zu einer gezielten Ablösung des Objekts 18 kommen.
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Bei elektrisch leitfähigen Objekten 18 ist es vorteilhaft, wenn - wie oben bereits beschrieben - an den freien Enden der Haftstrukturen 16 dielektrische Polymerschichten 24 vorgesehen sind. Dies können eine Grenzfläche zwischen den elektrisch leitfähigen Haftstrukturen 16 und dem Objekt 18 ausbilden. Im Falle hinreichend feiner Haftstrukturen können diese auch vollständig aus einem geeigneten dielektrischen, also nicht leitfähigen Material sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Greifverfahren sowie mit den erfindungsgemäßen Greifvorrichtungen können insbesondere dünne Folien, wie beispielsweise Kathodenfolien, Elektrodenfolien oder Separatorfolien, wie sie im Batteriebau Verwendung finden, auf einfache Art und Weise beschädigungsfrei gegriffen und insbesondere positionsgenau abgelegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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