Leitfaden zum Design von Silikon-Saugnäpfen: Haftkraft, Oberflächenverträglichkeit und Vakuumleckage

Silikon-Saugnäpfe dienen dazu, Produkte mithilfe eines Druckunterschieds zwischen dem Inneren des Saugnapfes und der Umgebungsluft anzuheben, zu positionieren, zu halten oder vorübergehend zu befestigen.

Zu den Anwendungsbereichen gehören:

• Roboter-Bestückungssysteme
• Lebensmittel- und Verpackungsanlagen
• Glasbearbeitung
• Montage elektronischer Bauteile
• Medizinische Geräte
• Handhabung von Kunststoffteilen
• Blech-Transfer
• Haushaltsgeräteherstellung
• Saughalterungen für Endverbraucher
• Maßgefertigte Vakuumhalterungen

Ein Saugnapf, der auf sauberem Laborglas funktioniert, versagt möglicherweise auf einer öligen Metallplatte, einem strukturierten Kunststoffgehäuse oder einem porösen Karton. Eine zuverlässige Leistung hängt von mehr als nur dem Durchmesser des Saugnapfs oder dem Unterdruck ab.

Ingenieure müssen Folgendes koordinieren:

• Effektive Saugfläche
• Verfügbarer Unterdruck
• Sicherheitsfaktor
• Beschleunigung und Belastungsrichtung
• Werkstückoberfläche
• Flexibilität der Lippen
• Geometrie des Bechers
• Silikonhärte
• Vakuumdurchflussleistung
• Leckagerate
• Betriebstemperatur und Umgebungsbedingungen

Wie ein Vakuum-Saugnapf eine Haltekraft erzeugt

Wenn der Saugnapf eine Oberfläche berührt, wird die Luft aus dem umschlossenen Raum abgesaugt. Der atmosphärische Druck außerhalb des Saugnapfs drückt diesen dann gegen das Werkstück.

Die theoretische Haltekraft beträgt:

F = Δp × A

Wo:

• F ist die theoretische Haltekraft
• Δp ist die Differenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck im Becher
• A ist die effektive Ansaugfläche

Schmalz greift denselben Zusammenhang auf und betont, dass die Saugkraft proportional zur Druckdifferenz und zur wirksamen Fläche ist. Funktionsprinzipien der Schmalz-Vakuumsauggreifer

Die wirksame Fläche entspricht nicht immer dem Außendurchmesser

Der Nennaußendurchmesser der Manschette kann größer sein als ihre tatsächliche Dichtfläche.

Die wirksame Fläche hängt ab von:

• Innendurchmesser der Dichtlippe
• Verformung der Lippen
• Werkstückkrümmung
• Pokal-Aus
• Interne Stützrippen
• Vakuumniveau
• Oberflächenunregelmäßigkeiten
• Aufgebrachte Vorspannung

Verwenden Sie, sofern verfügbar, die vom Hersteller angegebene wirksame Fläche. Bei einer Sonderanfertigung ermitteln Sie die wirksame Fläche durch Geometrieanalyse und physikalische Haltekrafttests.

Beispiel für die Berechnung der Haltekraft

Betrachten wir einen Becher mit einem effektiven Durchmesser von 50 mm, der bei einer Druckdifferenz von 60 kPa betrieben wird.

Die effektive Fläche beträgt ungefähr:

A = π × D² ÷ 4

A = 3,1416 × 0,05² ÷ 4 ≈ 0,00196 m²

Die theoretische statische Haltekraft beträgt:

F = 60.000 Pa × 0,00196 m² ≈ 118 N

Dies entspricht in etwa der Schwerkraft, die auf 12 kg wirkt, stellt jedoch keine zulässige Traglast dar.

Wird vor der Berücksichtigung anderer Verluste ein Sicherheitsfaktor von 2 angewandt, beträgt die vorläufige Arbeitskraft ungefähr:

118 N ÷ 2 = 59 N

Dynamische Beschleunigung, seitliche Belastung, Leckage an der Oberfläche, Lastverteilung und Verschleiß der Lagerschalen können die zulässige Belastung weiter verringern.

Warum die theoretische Haltekraft nicht der zulässigen Traglast entspricht

Die theoretische Formel geht von folgenden Annahmen aus:

• Eine vollständig luftdichte Abdichtung
• Gleichmäßiger Druck
• Eine stabile wirksame Fläche
• Keine Beschleunigung
• Keine seitliche Belastung
• Keine Oberflächenverunreinigung
• Keine Undichtigkeiten an Schläuchen oder Anschlüssen
• Keine Verformung des Bechers
• Keine Abnutzung

In der Praxis erfüllen Produktionssysteme selten alle diese Voraussetzungen.

Schmalz weist darauf hin, dass die berechneten Haltekräfte theoretischer Natur sind, und empfiehlt, die tatsächliche Anwendung zu überprüfen, da die Geometrie der Sauggreifer, die Oberflächenbeschaffenheit und die Verformung des Werkstücks die Leistung beeinflussen. Außerdem wird empfohlen, Sicherheitsfaktoren anzuwenden, wobei für schwenkende Belastungen höhere Faktoren zu wählen sind. Leitfaden zur Auslegung von Schmalz-Saugnäpfen

Der endgültige Sicherheitsfaktor sollte sich nach der Risikobewertung der Maschine, den geltenden Vorschriften, der Belastungsrichtung und den Folgen eines herabfallenden Teils richten.

Beladungsrichtung

Normales Heben

Wenn der Saugnapf ein horizontales Werkstück von oben anhebt, wirkt die Last annähernd senkrecht auf die Dichtfläche.

Die Saugkraft wirkt der Belastung direkt entgegen, wobei Beschleunigungen und Momente dennoch berücksichtigt werden müssen.

Seitliche oder Scherbelastung

Wenn die Saugplatte eine senkrechte Platte hält, wirkt die Schwerkraft parallel zur Werkstückoberfläche. Das System stützt sich dann auf die Reibung zwischen der Saugplatte und dem Werkstück.

Die verfügbare Seitenkraft lässt sich näherungsweise wie folgt berechnen:

Fₗₐₜₑᵣₐₗ = μ × Fₙₒᵣₘₐₗ

Wo:

• μ ist der Reibungskoeffizient
• Fₙₒᵣₘₐₗ ist die normale Saugkraft

Der Reibungskoeffizient muss unter den tatsächlichen Bedingungen des Silikons und des Werkstücks gemessen werden.

Schmalz weist darauf hin, dass kein allgemein gültiger Reibungskoeffizient angegeben werden kann, da Rauheit, Feuchtigkeit, Öl, das Material der Manschette, die Geometrie der Lippe und die Härte das Ergebnis beeinflussen. Berechnung der Haltekraft bei Schmalz

Schräg stehende und rotierende Lasten

Durch das Kippen oder Drehen eines Werkstücks wirken sowohl Scherkräfte als auch ein Abziehmoment. Die Schale auf einer Seite der Last kann dabei wesentlich mehr Kraft aufnehmen als die anderen.

Verwenden Sie größere Sicherheitsmargen und testen Sie das gesamte Bewegungsprofil.

Dynamische Lasten

Bei einem sich bewegenden System umfasst die erforderliche Kraft auch die Beschleunigung.

Eine vereinfachte Lastschätzung lautet wie folgt:

Erforderliche Kraft = Masse × (Schwerkraft + Beschleunigung)

Die Analyse sollte Folgendes umfassen:

• Vertikale Beschleunigung
• Horizontale Beschleunigung
• Not-Aus des Roboters
• Richtungswechsel
• Rotation
• Werkstückschwingungen
• Kollision oder Aufprall
• Schlauchkräfte

Ein System, das ein stationäres Teil sicher festhält, kann dieses bei einer schnellen Beschleunigung freigeben.

Schwerpunkt und Momente

Der Schwerpunkt sollte innerhalb des durch die Saugnäpfe gebildeten Auflagebereichs bleiben.

Wenn die Last versetzt ist:

• Eine Tasse ist möglicherweise überfüllt.
• Eine Lippe kann anfangen, sich zu schälen.
• Das Werkstück kann sich drehen.
• An einer Kante kann es zu einem Vakuumverlust kommen.

Vergrößern Sie den Abstand zwischen den Saugnäpfen, positionieren Sie die Saugnäpfe neu oder verwenden Sie eine steifere Stützplatte, wenn das Werkstück ein großes Kippmoment erzeugt.

Mehrere Saugnäpfe

Die Verwendung mehrerer Becher kann das Gesamtfassungsvermögen und die Stabilität erhöhen, allerdings verteilt sich die Last möglicherweise nicht gleichmäßig.

Eine ungleichmäßige Belastung kann folgende Ursachen haben:

• Verziehen des Werkstücks
• Unterschiedliche Becherhöhen
• Unebene Befestigung
• Druckverluste in Schläuchen
• Oberflächenabweichung
• Verschleiß der Tasse
• Ein versetzter Schwerpunkt

Niveaukompensatoren oder Faltenbälge können dazu beitragen, dass die Saugnäpfe gleichmäßig auf der Oberfläche aufliegen.

Bei der Sicherheitsanalyse sollte auch berücksichtigt werden, was passiert, wenn ein Becher undicht wird.

Formen von Silikon-Saugnäpfen

Flache Saugnäpfe

Flache Saugnäpfe bieten eine gute Stabilität und weisen nur eine geringe Eigenbewegung auf. Sie eignen sich für relativ ebene, glatte Oberflächen.

Piab beschreibt sein flaches Silikon-Saugnapfdesign als geeignet für flache Objekte; die integrierten Rippen verhindern, dass sich dünne Produkte verformen, und verbessern die Reibung bei paralleler Belastung. Piab-Flachsaugnäpfe aus Silikon

Balg-Saugnäpfe

Balgmanschetten gleichen Höhenunterschiede, gekrümmte Oberflächen und gewisse Winkelversätze aus.

Sie können Folgendes anbieten:

• Niveauausgleich
• Sanfterer Kontakt
• Kurze Hebebewegung
• Verbesserte Anpassung an unebene Werkstücke

Zu den möglichen Nachteilen zählen:

• Größere seitliche Bewegung
• Verminderte Positionsgenauigkeit
• Zusammenbruch des Bechers unter Hochvakuum
• Komplexere Formgebung
• Erhöhte Ermüdung an den Falzen

Tiefsaugnäpfe

Tiefe Saugnäpfe können sich an gekrümmte oder konvexe Objekte anpassen. Das Profil des Saugnapfes muss der zu erwartenden Krümmung des Werkstücks entsprechen.

Ovale Saugnäpfe

Ovale Spannzangen eignen sich für lange, schmale Werkstücke, bei denen eine runde Spannzange mit gleicher Fläche die verfügbare Breite überschreiten würde.

Zu den Anwendungsbereichen gehören:

• Rohre
• Profile
• Schmale Verpackungen
• Längliche elektronische Bauteile

Ovale Becher erfordern eine gute Verdrehsicherung.

Mehrlippige Saugnäpfe

Mehrere Dichtlippen bieten zusätzliche Kontaktflächen und können die Dichtwirkung auf leicht unebenen Oberflächen verbessern. Allerdings müssen dabei eingeschlossene Verunreinigungen und eine höhere Komplexität der Formgebung berücksichtigt werden.

Ausführung der Dichtlippe

Die Lippe ist der wichtigste Teil des Saugnapfes.

Zu den wichtigen Variablen gehören:

• Lippendicke
• Lippenwinkel
• Lippenlänge
• Kantenradius
• Wurzelradius
• Innendurchmesser
• Außendurchmesser
• Oberflächenbeschaffenheit
• Rundlaufgenauigkeit
• Materialhärte

Dünne Lippen

Eine dünne Lippe kann sich an kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten anpassen und bereits bei geringer Vorspannung eine Dichtung bilden.

Zu den potenziellen Risiken zählen:

• Zusammenklappen
• Faltenbildung
• Schneller Verschleiß
• Zerreißen
• Empfindlichkeit gegenüber Blitzlicht
• Verformung bei der Handhabung

Dicke Lippen

Eine dickere Lippe ist stabiler und verschleißfester, erfordert jedoch möglicherweise eine höhere Vorspannung und passt sich unter Umständen nicht an strukturierte Oberflächen an.

Lippenrand

Die Dichtungskante sollte glatt und durchgehend sein.

Zu vermeiden:

• Formtrennlinien an der Dichtungskante
• Flash
• Überreste eines Tors
• Scharfe Kerben
• Oberflächenverunreinigung
• Lokale Dickenänderungen

Ein kleiner Defekt an einer Stelle kann einen durchgehenden Leckagepfad verursachen.

Interne Verankerungen und Stützrippen

Interne Stollen können:

• Verhindern Sie, dass dünne Werkstücke tief in den Becher hineingezogen werden
• Effektives Vakuumvolumen aufrechterhalten
• Reibung erhöhen
• Einsturz der Begrenzungsschale verhindern
• Trägerfolien und -platten

Die Noppen dürfen keine Spuren auf dem Produkt hinterlassen und den Luftstrom zwischen den verschiedenen Bereichen des Bechers nicht behindern.

Ausführung des Vakuumanschlusses

Der Vakuumanschluss sollte den Becher effizient evakuieren, ohne dass flexibles Material in die Öffnung gesaugt wird.

Bedenken Sie Folgendes:

• Anschlussdurchmesser
• Standort des Hafens
• Filter oder Gitter
• Interne Strömungskanäle
• Schlauchdurchmesser
• Montagebeschränkung
• Gefahr einer Werkstückverstopfung

Ein zu kleiner Anschluss kann die Evakuierungszeit verlängern. Bei einem zu großen Anschluss kann es vorkommen, dass ein dünner Film in die Öffnung gesaugt wird.

Ebene, glatte und porenfreie Oberflächen

Beispiele hierfür sind:

• Glas
• Poliertes Metall
• Beschichtetes Blech
• Glatter Kunststoff
• Glasierte Keramik

Diese Oberflächen weisen in der Regel eine geringe Leckage auf, doch Verunreinigungen können dennoch die Leistung beeinträchtigen.

Auf Folgendes prüfen:

• Öl
• Staub
• Wasserfilme
• Schutzbeschichtungen
• Kratzer
• Formstruktur
• Oberflächenkrümmung

Raue oder strukturierte Oberflächen

Strukturierter Kunststoff, Metallguss und gemusterte Produkte weisen unter der Dichtlippe mikroskopisch kleine Kanäle auf.

Mögliche gestalterische Lösungen sind unter anderem:

• Weicheres Silikon
• Schmalere Lippe
• Breitere Dichtungszone
• Mehrere Dichtlippen
• Höherer Vakuumdurchfluss
• Größere Tasse
• Geringere Beschleunigung beim Handling

Eine Erhöhung der Vakuumtiefe allein reicht möglicherweise nicht aus, um einen durchgehenden Leckpfad zu beseitigen.

Poröse Oberflächen

Karton, Holz, Stoff und Schaumstoff können Luft durch das Werkstück selbst hindurchlassen.

Bei porösen Werkstoffen muss die Vakuumquelle die Luft kontinuierlich mit einer ausreichenden Durchflussrate absaugen. Ein Saugnapf erreicht zwar möglicherweise nur ein mäßiges Vakuumniveau, kann das Werkstück aber dennoch festhalten, sofern die Durchflusskapazität ausreichend ist.

Hochdurchfluss- oder Flächengreifsysteme sind unter Umständen besser geeignet als ein herkömmlicher geschlossener Becher.

Schmalz weist darauf hin, dass die Leckagekompensation durch einen hohen Luftdurchsatz es einigen Vakuumsystemen ermöglicht, poröse Werkstücke zu handhaben. Prinzipien der Vakuumerzeugung bei Schmalz

Ölige oder nasse Oberflächen

Öl und Wasser können folgende Auswirkungen haben:

• Reibung
• Lippendichtung
• Bewegung des Bechers
• Oberflächenverunreinigung
• Silikonverträglichkeit
• Freisetzungsverhalten

Eine nasse Oberfläche kann zwar in der normalen Richtung eine wirksame Abdichtung bieten, weist jedoch eine sehr geringe seitliche Reibung auf.

Prüfen Sie sowohl die Haltekraft als auch die Rutschfestigkeit unter den zu erwartenden ungünstigsten Verschmutzungsbedingungen.

Gekrümmte Flächen

Der Becher muss die Oberfläche entlang seines gesamten Dichtungsrandes berühren.

Für konvexe Teile:

• Die Lippe muss flexibel genug sein, um sich der Wölbung anzupassen.
• Der Becherkörper darf nicht auf dem Boden aufliegen, bevor die Lippendichtungen anliegen.
• Das Anschlussstück sollte einen ausreichenden Abstand zum Werkstück haben.

Für konkave Teile:

• Die Ränder der Schale können sich über die Oberfläche hinweg erstrecken.
• Die wirksame Fläche kann sich ändern.
• In unregelmäßigen Bereichen kann Luft eingeschlossen bleiben.

Geben Sie in der Angebotsanfrage den minimalen und maximalen Oberflächenradius an.

Flexible Folien und Beutel

Es kann vorkommen, dass sich ein dünner Film in den Becher zieht, den Vakuumanschluss verstopft oder dauerhaft knittert.

Verwendung:

• Interne Stützklampen
• Geregelter Unterdruck
• Größere Kontaktfläche
• Dünne, anpassungsfähige Lippen
• Ausreichende Luftzirkulation
• Sanfter Druckabbau

Piab bietet verstärkte Silikon-Saugnäpfe mit mehreren Falten an, die für Beutel mit Flüssigkeiten, viskosen Produkten und Tiefkühlkost vorgesehen sind, und zeigt damit, wie die Geometrie und die Verstärkung des Saugnapfes auf das Werkstück abgestimmt werden müssen. Piab-Silikon-Mehrfachbalg-Saugnapf

Heiße und kalte Werkstücke

Silikon kann für einen breiten Temperaturbereich geeignet sein, jedoch muss die gesamte Becherbaugruppe geprüft werden.

Die Temperatur wirkt sich aus auf:

• Silikonhärte
• Lippenregeneration
• Reibung
• Staubsaugerschlauch
• Metallbeschlag
• Klebeverbindung oder Einlegeteilverbindung
• Produktoberfläche
• Lebensdauer

Die Höchsttemperatur der Silikonmasse darf nicht direkt als Dauerbetriebstemperatur des fertigen Saugnapfes herangezogen werden.

Anwendungen im Bereich Lebensmittelkontakt

Einige Silikonformulierungen können zwar die Anforderungen für den Kontakt mit Lebensmitteln erfüllen, doch ist Silikon nicht automatisch lebensmitteltauglich.

Bestätigen:

• Geltende Vorschriften für den Kontakt mit Lebensmitteln
• Pigmentkonformität
• Aushärtungs- und Nachaushärtungsprozess
• Reinigungsverfahren
• Extrahierbare Stoffe
• Rückverfolgbarkeit
• Höchsttemperatur
• Kontaktzeit

Piab gibt an, dass ausgewählte transparente Silikonbecher den Anforderungen von FDA 21 CFR 177.2600 und EU 1935/2004 entsprechen. Dies gilt nur für bestimmte Typen und sollte nicht verallgemeinert auf alle Silikonwerkstoffe angewendet werden. Piab-Saugnäpfe aus lebensmitteltauglichem Silikon

Silikonhärte

Weicheres Silikon

Mögliche Vorteile:

• Bessere Oberflächenanpassung
• Geringere Kontaktvorspannung
• Verbesserte Abdichtung bei geringfügigen Unebenheiten
• Schonende Handhabung empfindlicher Produkte

Mögliche Nachteile:

• Stärkere Verformung des Bechers
• Geringere seitliche Stabilität
• Lippenfalten
• Schnellerer Verschleiß
• Anspruchsvollere Maßprüfung

Härteres Silikon

Mögliche Vorteile:

• Bessere Formbeständigkeit
• Höhere Seitenstabilität
• Verbesserte Handhabung bei der Montage
• Geringerer Kollaps

Mögliche Nachteile:

• Höhere Vorspannung
• Verminderte Konformität
• Erhöhtes Risiko von Undichtigkeiten auf rauen Oberflächen
• Höherer Markierungsdruck

Die Härte muss in Abhängigkeit von der Lippendicke und der Geometrie der Manschette ausgewählt werden.

Chemische Verträglichkeit

Saugnäpfe können mit folgenden Gegenständen in Kontakt kommen:

• Öle
• Fett
• Reinigungsmittel
• Lebensmittelfette
• Waschmittel
• Kühlmittel
• Trennmittel
• Lösungsmittel

Die Norm ASTM D471 legt Vergleichsverfahren zur Bewertung von Veränderungen an Kautschuk nach Einwirkung von Flüssigkeiten fest, darunter Veränderungen der Masse, des Volumens, der Härte und der Zugfestigkeitseigenschaften. ASTM D471-16a (2021)

Prüfen Sie das Serien-Silikon und den fertigen Saugnapf nach dem Kontakt mit der tatsächlichen Prozessflüssigkeit.

Vakuumleckagen verstehen

Unter „Leckage“ versteht man den Luftstrom, der in das Vakuumsystem eindringt, während die Saugglocke angebracht ist.

Dies kann durch folgende Ursachen bedingt sein:

• Die Dichtkante zwischen Becher und Werkstück
• Ein poröses Werkstück
• Oberflächenkratzer
• Formstruktur
• Risse im Becher
• Armaturen
• Schläuche
• Ventile
• Schnittstellen zum Einfügen in Silikon
• Formgrate oder Fehler

Um ein stabiles Vakuum aufrechtzuerhalten, muss die Vakuumquelle die Luft mindestens genauso schnell absaugen, wie sie eindringt.

Vakuumtiefe im Vergleich zum Vakuumdurchfluss

Unterdrucktiefe und Luftdurchsatz sind unterschiedliche Parameter.

• Vakuumtiefe bestimmt die verfügbare Druckdifferenz.
• Vakuumdurchfluss legt fest, wie schnell das System entlüftet und Leckagen ausgleicht.

Um eine glatte, abgedichtete Oberfläche zu erzielen, kann eine Quelle mit relativ geringem Durchfluss das Vakuum aufrechterhalten, sobald der Becher evakuiert ist.

Bei einer porösen oder undichten Oberfläche kann ein hoher Durchfluss wichtiger sein als das Erreichen eines hohen Vakuums.

Prüfung des Vakuumabbaus

Mit der Vakuum-Abfallprüfung wird die Dichtungsqualität der Schnittstelle zwischen Becher und Werkstück bewertet.

Ein typisches Verfahren umfasst:

1. Stellen Sie die Tasse auf die für die Produktion repräsentative Oberfläche.
2. Eine festgelegte Vorspannung aufbringen.
3. Auf das Zielvakuumniveau evakuieren.
4. Die Vakuumquelle isolieren.
5. Zeichne die Druckänderung über einen festgelegten Zeitraum auf.
6. Wiederholen Sie den Vorgang bei der erwarteten Temperatur und den erwarteten Oberflächenbedingungen.

Geben Sie Folgendes an:

• Anfangsunterdruck
• Stabilisierungszeit
• Testdauer
• Maximaler Druckanstieg
• Werkstückmaterial
• Oberflächenbeschaffenheit
• Bechervorbereitung
• Prüftemperatur
• Aufgebrachte Vorspannung

Leckage-Durchflussprüfung

Bei Oberflächen mit kontinuierlichen Leckagen kann das Abschalten der Vakuumquelle zu einer sofortigen Druckentlastung führen.

Messen Sie stattdessen den Luftstrom, der erforderlich ist, um einen bestimmten Unterdruck aufrechtzuerhalten.

Diese Methode eignet sich für:

• Poröser Karton
• Holz
• Strukturierter Kunststoff
• Stoff
• Schaum
• Rohgussteile

Der Vakuumerzeuger sollte einen ausreichenden Durchfluss mit einer angemessenen Sicherheitsreserve gewährleisten.

Abziehprüfung

Bei einem Abzugstest wird die Kraft gemessen, die erforderlich ist, um den Becher in Normalenrichtung von der Oberfläche zu lösen.

Der Test sollte Folgendes festlegen:

• Vakuumniveau
• Vorspannung der Schale
• Verweilzeit
• Zuggeschwindigkeit
• Zugrichtung
• Werkstückoberfläche
• Temperatur
• Pokalalter
• Anzahl der Zyklen

Die maximale Abzugskraft kann elastische Haft- und Ablöseeffekte beinhalten. Verwenden Sie den maximalen Laborwert nicht direkt als sichere Arbeitslast der Maschine.

Prüfung des seitlichen Schlupfs

Bei senkrechten oder schrägen Flächen ist die Kraft zu prüfen, die erforderlich ist, um ein Gleiten auszulösen.

Maße angeben mit:

• Tatsächliche Silikonformulierung
• Tatsächliche Oberflächenbeschaffenheit
• Trockener Zustand
• Nasse Bedingungen
• Fettige Haut
• Minimal- und Maximaltemperatur

Bei der Auslegungsberechnung sollte der niedrigste wiederholbare Wert unter Berücksichtigung eines angemessenen Sicherheitsfaktors zugrunde gelegt werden.

Dynamischer Halteversuch

Ein seriennaher Test sollte Folgendes reproduzieren:

• Roboter-Beschleunigung
• Verzögerung
• Rotation
• Richtungswechsel
• Erwartete Zykluszeit
• Werkstückabweichungen
• Schlauchbewegung
• Not-Aus-Zustand

Überwachen Sie den Mindestunterdruck während der gesamten Bewegung und nicht nur an der Aufnahmeposition.

Freisetzungsverhalten

Ein zuverlässiges Aufnehmen ist nur die halbe Miete. Der Greifer muss das Werkstück vorhersehbar wieder freigeben.

Probleme bei der Freigabe können folgende Ursachen haben:

• Leichte Anhaftung an den Lippen
• Restvakuum
• Statische Elektrizität
• Fettige Oberflächen
• Klebrige Produkte
• Langsame Ventilreaktion
• Unzureichender Abblasstrom

Ein kontrolliertes Ausblasen mit Überdruck kann die Auswurfzeit verkürzen, doch zu hoher Druck kann die Lippe beschädigen oder dazu führen, dass leichte Teile unvorhersehbar herausgeschleudert werden.

Ermüdung und Verschleiß

Saugnäpfe biegen sich während des Ansaugens, der Evakuierung und des Loslassens wiederholt.

Zu den typischen Verschleißstellen gehören:

• Dichtkante
• Lippenwurzel
• Falten eines Faltenbalgs
• Schnittstelle einfügen
• Bereiche, die mit scharfen Produktkanten in Kontakt kommen

Ein Lebensdauertest sollte Folgendes umfassen:

• Normales Betriebsvakuum
• Tatsächliche Vorspannung
• Oberflächenstruktur des Werkstücks
• Handhabungshäufigkeit
• Temperatur
• Reinigungsvorgang
• Druck ablassen
• Regelmäßige Leckage- und Kraftmessungen

Die Austauschintervalle sollten sich eher nach Leistungsänderungen als allein nach sichtbaren Defekten richten.

Auslegung von Armaturen und Einsätzen

Zu den maßgefertigten Silikonbechern können gehören:

• Gewindeeinsätze aus Metall
• Kunststoff-Steckverbinder
• Schlauchanschlüsse
• Filter
• Rückschlagventile
• Verstärkungsringe

Der Einsatz muss folgenden Belastungen standhalten:

• Axialzugkraft
• Drehmoment
• Vakuumzyklen
• Temperaturschwankungen
• Reinigung
• Schlauchlasten

Zu den möglichen Befestigungsmethoden gehören:

• Mechanische Verriegelung
• Umspritzen
• Kleben
• Sicherungsringe

Mechanische Hinterschneidungen sind in der Regel zuverlässiger als eine alleinige Abhängigkeit von der Oberflächenhaftung.

Überlegungen zur Fertigung

Maßgefertigte Silikon-Saugnäpfe können hergestellt werden durch:

• Spritzgießen von Flüssigsilikonkautschuk
• Formpressen
• Transferformverfahren
• Silikon-Metall-Umspritzung

Zu den entscheidenden Merkmalen der Werkzeuge gehören:

• Dichtlippendicke
• Konzentrizität der Lippen
• Position der Trennfuge
• Anschlussgeometrie
• Wandstärke des Faltenbalgs
• Einfügeposition
• Torposition
• Entlüftung

Blitzsteuerung

Ein Überstand an der Dichtkante kann zu Undichtigkeiten oder einer ungleichmäßigen Haltekraft führen.

Geben Sie die Blinkgrenzen für Folgendes an:

• Außenlippe
• Innere Dichtungskante
• Vakuumanschluss
• Falten eines Faltenbalgs
• Schnittstelle einfügen

Die kritischste Dichtungskante sollte kein unkontrolliertes manuelles Nachschneiden erfordern.

Maßprüfung

Zu den möglichen Prüfverfahren gehören:

• Optische Messung
• Optische Prüfung
• Berührungslose Profilmessung
• Kalibrierte Steckerlehren
• Messung der Wandstärke
• Vakuum-Abklingprüfung
• Messung der Abzugskraft

Weiches Silikon verformt sich bei der Kontaktmessung, daher müssen die Prüfkraft und die Konstruktion der Halterung entsprechend angepasst werden.

Häufige Fehler bei Saugnäpfen

Misserfolg	Mögliche Ursache	Korrekturrichtung
Der Becher schließt nicht dicht	Oberflächenstruktur, beschädigte Lippe oder zu geringe Vorspannung	Verwenden Sie eine flexiblere Düse und überprüfen Sie die Oberfläche
Das Vakuum wird langsam erreicht	Gesperrter Port oder zu hohe Systemlautstärke	Durchfluss an Anschluss, Schlauch und Generator überprüfen
Das Vakuum kann nicht aufrechterhalten werden	Anhaltende Undichtigkeit oder poröses Werkstück	Durchfluss erhöhen oder Greiftechnik ändern
Der Becher rutscht zur Seite	Geringe Reibung, Öl oder unzureichende Normalkraft	Reibung prüfen und Anordnung der Becher anpassen
Das Werkstück fällt während der Beschleunigung herunter	Die dynamische Kraft übersteigt die Arbeitskapazität	Die wirksame Fläche vergrößern oder die Beschleunigung verringern
Die Lippe ist nach innen gefaltet	Die Lippe ist zu weich, zu dünn oder zu stark zusammengedrückt	Geometrie und Vorspannung anpassen
Eine dünne Schicht versperrt den Anschluss	Unzureichende interne Unterstützung	Befestigungslaschen oder ein Filtersieb anbringen
Das Werkstück ist markiert	Übermäßige Vorspannung, Unterdruck oder lokaler Druck	Verwenden Sie eine weichere Geometrie und eine bessere Stütze
Der Becher bleibt beim Auslösen befestigt	Restvakuum oder Materialhaftung	Verbesserung des Ventilansprechverhaltens und der Entlüftung
Frühzeitige rissige Lippen	Abrasive Oberfläche, scharfe Kante oder Ermüdung	Material, Geometrie oder Austauschintervall verbessern
Ungleichmäßige Beladung mit mehreren Tassen	Höhenabweichung oder verzogenes Werkstück	Niveaukompensation hinzufügen und Befestigung verbessern
Der Einsatz lässt sich herausziehen	Schwache Verbindung oder unzureichende mechanische Verriegelung	Hinterschneidungen hinzufügen und Zug-/Drehmomentfestigkeit prüfen

Plan zur Validierung des Prototyps

1. Überprüfung der Oberfläche

Entnehmen Sie Produktionsproben, die folgende Merkmale aufweisen:

• Die glatteste Oberfläche
• Die unebenste Oberfläche
• Mindest- und Höchstkrümmung
• Trockener Zustand
• Nasse oder ölige Umgebung
• Maximale Porosität
• Temperaturextreme

2. Geometrie-Prototypen

Vergleiche:

• Becherdurchmesser
• Flachbauweise versus Balgbauweise
• Lippendicke
• Silikonhärte
• Interne Stollen
• Portgröße

3. Statische Prüfung

Maßnahme:

• Vakuumniveau
• Evakuierungszeit
• Leckagerate
• Normale Abzugskraft
• Seitliche Gleitkraft

4. Dynamische Prüfung

Führen Sie das eigentliche Bewegungsprofil mit der maximalen Werkstückmasse und der ungünstigsten Schwerpunktlage durch.

5. Umweltprüfungen

Relevante Aspekte bewerten:

• Temperatur
• Chemikalien
• Reinigungszyklen
• UV-Belastung
• Reinigung von Gegenständen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen
• Verunreinigungen durch Schleifmittel

6. Lebensdauertests

Überwachen Sie die Haltekraft und die Leckage in festgelegten Intervallen, bis das Austauschkriterium oder die Ausfallgrenze erreicht ist.

7. Pilotproduktion

Varianten nach folgenden Kriterien prüfen:

• Formhohlraum
• Materialcharge
• Los einfügen
• Werkstückoberfläche
• Prüfvorrichtung

Checkliste für Angebotsanfragen

Bitte geben Sie bei der Anforderung eines Angebots für maßgefertigte Silikon-Saugnäpfe folgende Informationen an:

• 2D-Zeichnung und 3D-Modell
• Werkstückmaterial
• Oberflächenbeschaffenheit und Rauheit
• Oberflächenkrümmung
• Porosität des Werkstücks
• Maximales Gewicht
• Lage des Schwerpunkts
• Lastausrichtung
• Roboter-Beschleunigung
• Anzahl und Abstand der Becher
• Verfügbares Vakuumniveau
• Durchfluss der Vakuumquelle
• Erforderliche Evakuierungszeit
• Maximale Leckagerate
• Temperaturbereich
• Exposition gegenüber Öl, Chemikalien oder Reinigungsmitteln
• Anforderungen an den Kontakt mit Lebensmitteln
• Silikonhärte
• Anschlussart und Gewinde
• Erforderliche Lebensdauer
• Zulässige Oberflächenmarkierungen
• Jährliches Produktionsvolumen
• Anforderungen an die Kontrolle und Rückverfolgbarkeit

Falls die Abmessungen der Saugnäpfe noch nicht endgültig feststehen, stellen Sie bitte Muster des Werkstücks sowie den gesamten Handhabungsvorgang zur Verfügung. So können die Geometrien der Prototypen unter realistischen Bedingungen getestet werden.

Häufig gestellte Fragen

Wie wird die Haltekraft eines Saugnapfs berechnet?

Die theoretische Haltekraft entspricht der Druckdifferenz multipliziert mit der wirksamen Saugfläche. Anschließend müssen ein Sicherheitsfaktor, die Beschleunigung, die Lastrichtung, die Reibung, Leckagen und die Verformung der Saugnäpfe berücksichtigt werden.

Entspricht der Außendurchmesser dem effektiven Ansaugdurchmesser?

Nicht immer. Die wirksame Fläche wird normalerweise durch die innere Dichtungsgrenze bestimmt und kann sich ändern, wenn sich die Lippe verformt.

Warum passt der Becher für Glas, aber nicht für strukturierten Kunststoff?

Glas ist in der Regel glatt und porenfrei. Strukturierter Kunststoff verursacht Leckagewege unter der Dichtlippe und erfordert möglicherweise eine weichere Lippe, einen höheren Durchfluss oder eine andere Bechergeometrie.

Verbessert ein stärkeres Vakuum immer die Leistung?

Nein. Ein anhaltendes Leck kann das Erreichen eines hohen Vakuums verhindern, und manche flexiblen Saugnäpfe können bei zu hohem Vakuum zusammenfallen oder sich verformen. Auf porösen Oberflächen kann die Durchflusskapazität eine größere Rolle spielen.

Sind Silikon-Saugnäpfe für fettige Oberflächen geeignet?

Sie dienen zwar als Dichtung, doch Öl kann die seitliche Reibung erheblich verringern und das Silikon im Laufe der Zeit angreifen. Es sind Haftungs-, Gleit- und Verträglichkeitstests erforderlich.

Dürfen Silikon-Saugnäpfe mit Lebensmitteln in Berührung kommen?

Nur wenn die jeweilige Silikonformulierung, das Pigment, das Herstellungsverfahren und das fertige Bauteil die geltenden Anforderungen für den Kontakt mit Lebensmitteln erfüllen.

Warum versagt ein Saugnapf während der Bewegung eines Roboters?

Beschleunigung, Drehung oder ein verschobener Schwerpunkt können Kräfte und Momente erzeugen, die über den Werten der statischen Halteberechnung liegen.

Wie sollte die Dichtheit des Vakuums geprüft werden?

Führen Sie bei abgedichteten Oberflächen eine Vakuumabfallprüfung und bei porösen oder kontinuierlich undichten Oberflächen eine Leckageflussprüfung durch. Legen Sie das Vakuumniveau, die Vorlast, die Oberfläche und die Prüfdauer fest.

Fazit

Für eine zuverlässige Konstruktion von Silikon-Saugnäpfen reicht es nicht aus, lediglich den Durchmesser und den Unterdruck auszuwählen. Die wirksame Fläche bestimmt die theoretische Kraft, während Oberflächenbeschaffenheit, Reibung, Beschleunigung, Leckage und die Geometrie des Saugnapfes die nutzbare Arbeitslast bestimmen.

Prototypentests an echten Werkstücken sind unerlässlich, insbesondere bei strukturierten, porösen, gekrümmten, öligen oder flexiblen Produkten. Senden Sie uns Ihre Werkstückmuster, Angaben zur Oberfläche, zur Belastung, zum Bewegungsprofil sowie die verfügbaren Vakuumdaten, damit wir eine maßgeschneiderte DFM-Analyse für Saugnäpfe sowie eine Leistungsbewertung durchführen können.