Oplossingen voor veilige, efficiënte en hoogzuivere automatiseringsapplicaties

2ndSCIN® is een beschermhoes voor robots en andere automatiseringscomponenten die bedoeld zijn voor gebruik in een cleanroom. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Met zijn testmerken heeft het Fraunhofer IPA al meer dan 2500 producten en materialen wereldwijd getest en gecertificeerd op hun reinheid en geschiktheid voor cleanrooms. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / With its test marks, Fraunhofer IPA has already tested and certified over 2,500 products and materials worldwide for their cleanliness and cleanroom suitability. © Fraunhofer IPA/Photo: Rainer Bez

Demonstrator voor het softwareframework van »retavi« (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Met het nieuwe softwareframework »retavi« kunnen bedrijven hun machines, systemen en processen onafhankelijk van hardware automatiseren. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

CARA vereenvoudigt het proces voor risicobeoordeling van collaboratieve robots door middel van intelligente, semi-geautomatiseerde ondersteuning van de gebruiker. (© Fraunhofer IPA) / CARA vereenvoudigt het risicobeoordelingsproces voor collaboratieve robots door middel van intelligente, semi-geautomatiseerde gebruikersondersteuning. © Fraunhofer IPA

Op de automatische botsproefbank worden Cobots één keer gemeten en zo wordt een botsingsmodel gegenereerd dat kan worden gebruikt voor de veiligheidsontwerp. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Cobots worden eenmaal gemeten op de automatische botsproefbank, waardoor een botsingsmodel ontstaat dat kan worden gebruikt voor veiligheidsontwerp. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Op de vakbeurs Automatica dit jaar toont het Fraunhofer-Instituut voor Productietechniek en Automatisering IPA talloze oplossingen die – mede dankzij Kunstmatige Intelligentie (AI) – het plannen, programmeren en inleren van robots aanzienlijk vereenvoudigen en versnellen. Te zien van 24 tot 27 juni 2025 in Hal A4 op stand 314.

Of het nu in de productieruimte, in de cleanroom of in het laboratorium is: overal worden inmiddels robots en andere automatiseringscomponenten ingezet en ondersteunen vooral bij repetitieve, fysiek veeleisende of gevaarlijke taken. Maar voordat ze geïnstalleerd, geprogrammeerd en ingesteld zijn, verstrijkt vaak nog veel tijd. Het grote doel is daarom »Automatisering van automatisering«. Dit betekent dat het inrichten en inbedrijfstellen met geschikte tools veel meer geautomatiseerd verloopt dan voorheen, wat tijd en kosten bespaart.

Het Fraunhofer IPA toont van 24 tot 27 juni 2025 op Automatica in München een heel scala aan oplossingen die, ook met gebruik van AI-technologieën, het plannen, programmeren en inleren van robots aanzienlijk vereenvoudigen en versnellen door deze processen (deels) te automatiseren.

Een software-Framework voor alle machines en installaties

Wetenschappers onder leiding van David Breunig van het onderzoeksteam IT-Architecturen für die Produktion bij het Fraunhofer IPA hebben een software-framework ontwikkeld waarmee bedrijven hun volledige productie kunnen automatiseren. De programmeerbare logische controllers (PLC's), die tot nu toe het beheer van machines en installaties regelen en in grote aantallen in fabrieken worden toegepast, kunnen hiermee overbodig worden. »Wie vandaag de dag de PLC van een gevestigde fabrikant koopt, wordt afhankelijk van diens hardware, ontwikkelomgeving en programmeertaal«, zegt Breunig, »en dat willen wij met ons software-framework veranderen.«

Om te laten zien hoe deze softwaregedefinieerde automatisering werkt, hebben Breunig en zijn team een demonstrator gebouwd die de werking en het gebruik van het framework toont. Bezoekers kunnen op de Automatica aan een scherm kennismaken met de verschillende modules van het software-framework en zelf een automatiseringsproject aanmaken of optimaliseren.

Samen met een collega en twee collega’s is Breunig van plan om zelfstandig te worden met het software-framework. Hun start-up, retavi GmbH, gaat aan het eind van het jaar officieel van start.

Flexibel inzetbare intelligente mobiele manipulators

Humanoïde robots krijgen momenteel veel aandacht in de media en zullen op de Automatica eveneens een grote rol spelen. Volgens een studie van het Fraunhofer IPA in het kader van het KI-voortgangscentrum »Lernende Systeme und Kognitive Robotik« hebben veel bedrijven echter weinig interesse dat de robots kunnen lopen zoals een mens. In plaats daarvan zien de ondervraagde experts het grootste potentieel in het dat humanoïde objecten zo flexibel mogelijk kunnen grijpen als een mens. En precies hier sluit een actuele ontwikkeling van het Fraunhofer IPA aan. Vanwege de vele vrijheidsgraden van een robotarm is het namelijk niet efficiënt om robots voor deze grijpfuncties uitgebreid te programmeren. Om dat te voorkomen, onderzoekt het Fraunhofer IPA benaderingen voor snel en intuïtief leren van complexe grijpfuncties en handelingen.

Grijpbewegingen kunnen bijvoorbeeld in een simulatie en met Deep Reinforcement Learning worden aangeleerd. Centraal staat niet alleen de controle van robotarmen, maar vooral het intuïtief instrueren en leren van nieuwe toepassingen voor volledige, flexibele robotsystemen – inclusief mobiele multi-armed platforms met meerdere armen en grijpers. Hiervoor worden moderne methoden zoals imitatie-leren en zogenaamde foundation-modellen ingezet. Hierbij worden natuurlijke taalopdrachten, teleoperaties en door mensen gedemonstreerde processen gebruikt om robotvaardigheden efficiënt over te brengen.

De demonstrator op de beursstand geeft een praktijkgerichte inkijk in geselecteerde aspecten van de technologie en laat zien hoe kernideeën uit het actuele onderzoek kunnen worden toegepast. Daarnaast biedt het de gelegenheid om meer te leren over de uitdagingen van actuele imitatie-leren-methoden en foundation-modellen, en hoe een hybride aanpak bestaande lacunes gericht kan dichten door bewezen, parametriseerbare robotvaardigheden te combineren met leermethoden.

Flexibele laboratoriumrobotica voor het hanteren en doseren van vloeistoffen

Het heersende tekort aan vakbekwamen treft ook laboratoria en medische instellingen. Het aanwezige personeel besteedt een groot deel van de dagelijkse werktijd aan monotone routineklussen, waardoor meerwaarde- en waardetoevoegende taken worden vertraagd. Daarom is automatisering in deze omgeving zeer gewild. Een standaard systeem is echter vaak niet geschikt, omdat de taken en te hanteren objecten divers zijn. Het Fraunhofer IPA ontwikkelt daarom een aanpasbare softwarekit voor autonoom werkende laboratoriumrobots, waarmee dergelijke routineklussen efficiënt kunnen worden geautomatiseerd. Bijvoorbeeld kunnen robots hiermee procesrelevante verbruiksmaterialen verzamelen, chemicaliën of monsters zelfstandig doseren, gevoelige monsters 'just in time' uit koel- of warmtekasten halen of, in de toekomst, experimenten volledig zelfstandig uitvoeren. Hiervoor moet de robot taken kunnen uitvoeren zoals het lokaliseren en grijpen van diverse containers, het nauwkeurig wegen van vloeistoffen en vaste stoffen, het openen van kasten en deuren en autonoom navigeren.

Op Automatica toont het Fraunhofer IPA de huidige ontwikkelingsstand aan de hand van een demonstrator die vloeistoffen met verschillende viscositeit automatisch kan doseren en verdelen over vaste doelvaten.

Veilige mens-robot samenwerking deels geautomatiseerd realiseren

Moderne automatiseringsoplossingen moeten vanwege kleine batchgroottes zo flexibel mogelijk inzetbaar zijn. Dat betekent ook dat de veiligheidsmaatregelen continu moeten worden aangepast. De basis hiervoor vormen de risicoanalyse en CE-markering – twee processen die momenteel nog erg tijdrovend zijn en veel vakkennis vereisen. Het Fraunhofer IPA heeft daarom tools ontwikkeld voor zowel de plannings- als de gebruiksfase, die de veiligheidsuitvoering vereenvoudigen en versnellen.

Het beursdepot »CARA« is een tool voor de planningsfase die uitgebreide ondersteuning biedt bij de veiligheidsuitvoering. Het helpt vakmensen met een 3D-simulatie om alle benodigde veiligheidsmaatregelen in zes stappen te plannen en te implementeren vóór de ingebruikname van een installatie. CARA houdt rekening met parameters zoals potentiële gevaren, veiligheidsafstanden en de mogelijke interactie tussen mens en machine. Botsings- en klemgevaar worden automatisch geïdentificeerd. Vervolgens doet de tool voorstellen voor maatregelen ter risicoreductie.

Ook in de planningsfase helpen botsingsmodellen, die worden bepaald op een door het Fraunhofer IPA ontwikkelde, geautomatiseerde testbank. Ze adresseren de uitdaging dat maximale toegestane krachten en drukken bij mogelijke botsingen de snelheden en cyclustijden van de robot beperken, waardoor de prestaties van de installatie kunnen afnemen. De krachten die tijdens het gebruik ontstaan, kunnen echter moeilijk mathematisch worden berekend. Eenmaal gemaakt, maken de botsingsmodellen het mogelijk om de prestaties al in de planningsfase nauwkeurig te inschatten. CARA kan op deze modellen terugvallen.

Intuïtieve robotprogrammering met behulp van een nieuwe gebruikersinterface

Robotprogrammering blijft vaak een lastige klus als het gaat om een efficiënte inrichting of herprogrammering van een toepassing. Hoe het benodigde vakkennis kan worden verminderd en robots ook bij grote variatie tijdsefficiënt kunnen worden geprogrammeerd, toont een nieuwe bedieningsinterface aan de hand van een gesimuleerde demontage-toepassing op de beursstand. De interface maakt het mogelijk om afzonderlijke skills, oftewel robotvaardigheden, samen te voegen tot een volledige taak. Hiervoor worden skill-blokken uit de software »pitasc« van het Fraunhofer IPA gebruikt, die zonder programmeerkennis toepassingsspecifiek kunnen worden samengesteld en gecombineerd.

Automatisering in hoogreine omgeving: 2ndSCIN® en Tested Device®

2ndSCIN® is een gepatenteerde beschermhoes die robots en andere beweegbare automatiseringscomponenten gereed maakt voor de ultrareine productie. De behuizing bestaat uit een doorlatende, beweeglijke en meerlaagse textiel die is geïnspireerd op menselijke huid. De textielaag is uitgerust met sensoren die continu parameters meten zoals deeltjesconcentratie, chemische verontreiniging, druk of vochtigheid. AI-gestuurde algoritmen analyseren deze sensordata en maken bijvoorbeeld voorspellend onderhoud mogelijk. Afhankelijk van de toepassing kunnen twee of meer textiellagen boven elkaar worden aangebracht, gescheiden door tussenlagen.

In de tussenruimtes kan bijvoorbeeld lucht worden aangezogen of afgevoerd. Zo kunnen deeltjes worden verwijderd die uit de omgeving of van de automatiseringscomponent afkomstig zijn. Het toevoeren van speciale gassen in de tussenruimtes maakt bijvoorbeeld sterilisatie mogelijk. De hoes kan in ongeveer een uur worden verwisseld en na een decontaminatie opnieuw worden gebruikt. »2ndSCIN® is uiterst flexibel in opbouw, zodat wij maatwerk kunnen realiseren. Zo adresseren wij veel eisen aan reinheidsgeschikte beschermhoezen voor cleanroomcomponenten, die eerdere producten niet voldeden«, legt Udo Gommel uit, hoofd van de afdeling Contaminatiekritische Productie bij het Fraunhofer IPA. Hij en zijn team presenteren 2ndSCIN® op de Automatica.

Al jaren biedt het Fraunhofer IPA ook methoden voor deeltjesemissie, uitstoot, ESD en andere eisen. Voor de onderzochte producten wordt het keurmerk Tested Device® toegekend, waarover bezoekers op de stand meer kunnen leren. Bedrijven ontvangen met het product- en klantgerichte testrapport een bevestiging van de reinheid en cleanroomgeschiktheid van hun installaties, apparaten of verbruiksmaterialen. De onderzoeken omvatten productieomgevingen zoals atmosferische cleanrooms, droge cleanrooms en vacuümomstandigheden.