Deutscher Zukunftspreis 2010

Festo entwickelte in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA den Bionischen Handling-Assistenten. In Anlehnung an den Rüssel eines Elefanten hat Festo in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA den Bionischen Handling-Assistenten unter Einsatz Generativer Fertigungstechnologien konstruiert.

Die Forscher übertrugen nach dem Prinzip der Bionik natürliche Konstruktionsprinzipien auf ein Robotersystem und schufen ein einzigartiges Handlingsystem mit fast menschlicher Leichtigkeit, Geschicklichkeit und Flexibilität.

Der Bionische Handling-Assistent besteht aus einem künstlichen Arm, einem Handgelenk und einem Greifer mit drei Fingern. Ein Novum ist seine enorme Nachgiebigkeit. Das präzise Greifwerkzeug kann durch flexible Bewegungsabläufe auf den Kontakt mit Menschen reagieren und den Druck abbauen, ihn anschließend allerdings sofort wieder aufnehmen. Durch seine außergewöhnliche Nachgiebigkeit und Feinfühligkeit im Greifer kann der biomechatronische Assistent mit rohen Eiern Tomaten oder einem Glas Wasser ebenso so sorgfältig umgehen wie mit Menschen. Die Bewegungen der künstlichen Gliedmaße werden durch ein ausgeklügeltes pneumatisches System angetrieben. Eingesetzt werden kann er in allen Bereichen, in denen der Mensch auf eine sichere Unterstützung durch Maschinen angewiesen ist – etwa in der Medizintechnik, Rehabilitation und Handicap Care, aber auch in der Landwirtschaft oder in Privathaushalten.

  Das Fraunhofer IPA brachte zum Assistenten zwei Lösungen ein: Die Forschung und Entwicklung, einen Faltenbalg als Antrieb zu nutzen und die Technologie der Generativen Fertigung. Um die ausgeprägte Anpassungsfähigkeit des neuartigen Arms durch eine extreme Leichtbauweise zu ermöglichen, bedienten sich die Forscher dem 3-D-Druckverfahren: Schritt für Schritt werden dünne Schichten eines biegsamen Kunststoffs übereinander aufgetragen und mithilfe eines Laser verschmolzen. Auf diese Weise fertigte Festo den gesamten Handling-Assistenten einschließlich Greifer und allen beweglichen Teilen.

Nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2010 aufgrund ihrer hervorragenden naturwissenschaftlichen und technischen Innovation wurden

Dr.-Ing. Peter Post, Festo AG & Co. KG
Dipl.-Ing. Markus Fischer, Festo AG & Co. KG
Dipl.-Ing. Andrzej Grzesiak, Fraunhofer IPA  

Peter Post leitet das Forschungs- und Entwicklungsprojekt bei Festo. Markus Fischer ist für das Corporate Design bei dem Esslinger Maschinenbauunternehmen verantwortlich und etablierte das Bionic Learning Network, in dem Unternehmen und Hochschulen gemeinsam technische Konzepte nach dem Vorbild der Natur realisieren. Andrzej Grzesiak ist Leiter der Gruppe Generative Fertigung am Fraunhofer-Institut für Automatisierung und Produktionstechnik.

Der Handling-Assistent wurde im Rahmen des Bionic Learning Networks entwickelt. Um die drei Nominierten gruppiert sich ein Team, bestehend aus Mitarbeitern des Fraunhofer IPA und der Festo AG & Co. KG. Im Hintergrund agiert außerdem die gesamte Gruppe »Generative Fertigung & Digitale Drucktechnik« des Fraunhofer IPA. Sie arbeitet an der Entwicklung, Bereitstellung und Anpassung von digitalen Produktions- und Fertigungstechnologien zur Herstellung innovativer Produkte.

Schon seit 1997 wird der Deutsche Zukunftspreis jährlich an Forscher und Entwickler vergeben, deren Erfindungen zu anwendungs- und damit marktfähigen Produkten führen. Er soll deutlich machen, wie wichtig Innovationen für das Land und seine Menschen sind. Der Preis wird von Bundespräsident Christian Wulff verliehen und ist mit 250.000 Euro dotiert. Technik und Innovation in Deutschland sollen dadurch langfristig gefördert werden. Die Jury des Deutschen Zukunftspreises, die der Bundespräsident auf Vorschlag eines Kuratoriums beauftragt, ist mit Fachleuten aus Wissenschaft und Wirtschaft besetzt.

1. Dezember 2010 – Preisverleihung

Bundespräsident Wulff wird am 1. Dezember 2010 den Deutschen Zukunftspreis im Tempodrom in Berlin feierlich überreichen. Das ZDF überträgt die Veranstaltung, die von Maybrit Illner moderiert wird.

Alle Nominierten stellen ihre Innovationen bei einer Veranstaltung im Deutschen Museum in München vor. Durch die Veranstaltung führt der Generaldirektor des Deutschen Museums, Prof. Dr. Wolfgang M. Heckl.

Die Ausstellung wird am 27. Oktober 2010 um 19 Uhr eröffnet. Dem Deutschen Zukunftspreis und seinen Preisträgern wird in einer Dauerausstellung ein besonderer Platz eingeräumt, um den Erfindungsreichtum in Deutschland einer breiten Öffentlichkeit zu zeigen. 

Schicht für Schicht zum Unikat – »Additive Manufacturing« macht's möglich

Der Oberbegriff »Generative Fertigung« beschreibt Prozesse zur schnellen Herstellung von Modellen, Formen und funktionsfähigen Bauteilen ohne spezielle Formwerkzeuge. Generative Fertigung bietet enorme Potenziale für die schnelle und effiziente Umsetzung von Produktinnovationen in Prototypen, kleine Fertigungsserien oder individuelle Einzelstücke.

Zur Herstellung des »Bionischen Handling-Assistenten« nutzten die Forscher das sogenannte 3-D-Druckverfahren, bei dem dünne Schichten eines biegsamen Kunststoffs übereinander aufgetragen und mithilfe eines Lasers verschmolzen werden.

Bei generativen Fertigungsverfahren sind der Formgebung praktisch keine Grenzen gesetzt. Selbst komplexeste Geometrien und Strukturen können damit ohne spezielle Werkzeuge oder Formen in Leichtbauweise gefertigt werden. Metall, Kunststoff und Keramik sind die gebräuchlichsten Materialien, die für diese Fertigungstechnologie derzeit verwendet werden. Fraunhofer-Forscher arbeiten daran, generative Fertigungsverfahren auch bei weiteren Materialien zu einzusetzen, etwa bei Aluminium oder Kupfer.

In der Medizin- und Dentaltechnik sind die Rapid-Technologien mittlerweile unentbehrlich. Individuell geformte medizinische Implantate, Zahnersatz oder Prothesen können damit schneller und kostengünster hergestellt werden als mit herkömmlichen Verfahren. In der Biomedizin arbeiten Forscher daran, sogenannten Peptid-Arrays additiv herzustellen. Damit lassen sich neue medizinische Wirkstoffe, Impfstoffe sowie Diagnose- oder Therapieverfahren entwickeln.

In der Luft- und Raumfahrtindustrie und beim Automobilbau werden generative Verfahren eingesetzt, um Ersatzteile herzustellen oder zu reparieren. Im EU-Projekt FANTASIA wandten die Forscher selektives Laserschmelzen (SLM) für die Fertigung von kompliziert geformten Flugzeugtriebwerks-Komponenten an.  Mit SLM und weiteren lasergestützten Verfahren können Produkte schneller und kostengünstiger entwickelt werden.  Produktentwicklungsprozesse werden verkürzt, innovative Produkte kommen schneller auf den Markt. Auch »intelligente Bauteile«, die mit Funkchips (RFID) ausgestattet sind, lassen sich mit generativen Verfahren herstellen.

Generative Fertigungsverfahren verfügen über ein großes Potenzial, ständig kommen neue Anwendungsgebiete hinzu. Auch die Konsumgüter-Industrie hat das Verfahren entdeckt. Die ersten Designerstücke als Schmuck, Sport- oder Modeartikel und sogar Möbel sind bereits auf dem Markt. »Additive Manufacturing« gilt als eine Schlüsseltechnologie der Zukunft, doch bis diese für die Serienfertigung eingesetzt werden kann, ist noch einiges an Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig.

Titelthema: Aus Pulver gebaut

Individuell angepasste Hörgeräte, maßgeschneiderte Zahnkronen oder Knochenimplantate, Bauteile für Autos und Flugzeuge - das sind einige der ersten generativ gefertigten Produkte. Sie werden direkt aus den Konstruktionsdaten Schicht für Schicht aus Pulver hergestellt.

Die Fraunhofer-Allianz »Generative Fertigung« bündelt die Kompetenzen von zehn Fraunhofer-Instituten und entwickelt innovative Konzepte für die Anwendung generativer Fertigungstechnologien. Mit der Allianz ist die Fraunhofer-Gesellschaft in der Lage, ganzheitliche Lösungen in der Produktentwicklung durch die Abbildung der gesamten Prozesskette anzubieten.