Welche Werkstoffe eignen sich für die dynamischen Belastungen beim Einsatz von Dichtungen und Dämpfern in Cobots und humanoiden Robotern?

In diesen Bereichen der Robotik geht es um eine perfekte Kombination aus Energie- und Wärmemanagement, optimal erzeugten Drehmomenten sowie eine ideale Kraftübertragung für rotierende und lineare Gelenk-Funktionen und Endeffektoren am Ende des Roboterarms (EOA – End-of-Arm). Kurz gesagt: um mechanische Schnittstellen. In unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen sind Dämpfungselemente und Dichtungslösungen fundamentale Bestandteile aller Körper- und Handgelenke sowie der Batterieeinheit mit integrierter Elektronik. Grundsätzlich gilt für Cobots und humanoide Roboter, die eng mit dem Menschen zusammenarbeiten, dass eine zu hohe Reibung in jedem einzelnen Gelenk dazu führen kann, dass Sicherheitsstopps verzögert ausgelöst werden. Um dies zu verhindern, kombiniert Freudenberg Sealing Technologies speziell entwickelte Dichtungsgeometrien und Dämpfungs-Designs mit spezifischen Werkstoffen, die eine kontinuierlich niedrige Reibung über einen langen Zeitraum hinweg gewährleisten.

Es folgen Beispiele für unterschiedliche Applikationen

Batteriemodule – Thermomanagement und Betriebssicherheit

Batteriemodule sind Baugruppen, die in Reihe oder parallel geschaltete Batteriezellen kombinieren und für die verfügbare Energiekapazität des Roboter-Systems sorgen. Hier kommt eine Vielzahl von Elektronik-Komponenten zum Einsatz. Die Batteriezellen sind innerhalb der Module über elektrische Verbindungen miteinander verbunden und in einem Schutzgehäuse untergebracht. Ideal zusammengesetzte Batteriemodule mit passgenauen Dichtungslösungen reduzieren die Gefahr eines sogenannten „thermischen Durchgehens“ und ermöglichen ein optimales Wärme- und Energiemanagement für die empfindliche Humanoiden-Elektronik. Gleichzeitig müssen Dichtungen das Eindringen von Feuchtigkeit und Staubpartikeln verhindern sowie das Risiko von Schädigungen durch Vibrationen und Stöße minimieren. Hier sind die folgenden Dichtungskomponenten erforderlich:

Busbars sind metallische Stromschienen, Leiterbahnen oder Sammelschienen für die elektrische Leistungselektronik. Der rechteckige Querschnitt des Busbars bedarf einer patentierten Abdichtung. Dabei funktioniert die Dichtungsanordnung wie folgt: Zunächst erfolgt ein mediendichter Verbund durch eine chemische Vorbehandlung der Leiteroberfläche mit einem Primer und dem Aufbringen einer besonderen Elastomer-Beschichtung. Hierdurch entsteht eine stoffschlüssig verbundene Zwischenschicht. Anschließen erfolgt das Thermoplast-Spritzgießen. Das hier eingesetzte elastische Material basiert vorzugsweise auf vulkanisierbaren Elastomeren, wie FKM, AEM, ACM, HNBR, NBR oder EPDM. Je nach System-Anforderung können für das sichere Abdichten der Kanten aber auch thermoplastische Elastomere (TPE) eingesetzt werden.
Temperaturfeste Thermoplaste können durch die gezielte Zugabe von Füllstoffen wie Glas- oder Kohlenstofffasern in ihrer mechanischen Stabilität deutlich verstärkt werden, so dass sie selbst unter enormer Hitze ihre Schutzwirkung beibehalten. Hier-bei sorgt eine zusätzliche Vernetzung der Kunststoff-Molekülketten dafür, dass die Dichtung auch unter Extrembedingung in Form bleibt. Die benötigten Materialeigenschaften lassen sich dabei auf den jeweiligen Anwendungsfall einstellen und sorgen damit für ein verlässliches Wärmemanagement in den Batterien von Cobots und Humanoiden.
DIAvent® ist ein smartes Druckausgleich-Element für Lithium-Ionen-Batterien. Denn ebenso wie im Fahrzeug-Bereich, müssen die hermetisch abgedichteten Gehäuse von Lithium-Ionen-Batterien auch in der Robotik spezielle Vorrichtungen für den notwendigen Druckausgleich haben. Hier vereint das Ventil mehrere Funktionen in einem Bauteil: den Druckausgleich Werkstoffe12 im Normalbetrieb, das schnelle und verlässliche Öffnen für eine Notentgasung im Worst-Case-Szenario – dem thermischen Durchgehen einer Zelle – sowie das darauffolgende Schließen nach erfolgtem Druckausgleich. DIAvent® ist robuster als die bislang üblichen Lösungen aus poröser PTFE-Folie und erhöht die Betriebssicherheit der Batterie Aggregate deutlich.
An der Außenhülle und im Innenraum von Hightech-Batteriesystemen muss das Eindringen von Staubpartikeln und Flüssigkeiten unter allen Umständen verhindert werden. Gleichzeitig müssen die Auswirkungen von Vibrationen und Stößen massiv gedämmt werden. Hier ermöglichen Dichtungen und Dämpfelemente aus hochwertigen Elastomeren (Werkstoffklassen PU und Silikone) das zuverlässige Abdichten der Batteriegehäuse über die gesamte Lebensdauer der Batterie hinweg. Zu den hier benötigten Dichtungs-Arten zählen Einpressdichtungen, faltbare Verbunddichtungen und sogenannte XL-Kantenverbunddichtungen. Die hier eingesetzten Elastomere gewährleisten neben ihrer flexiblen Langlebigkeit ein optimiertes Temperatur- und Sicherheitsmanagement für die Robotik-Batterie.
S.o.

Drehantriebs-Aggregate – Kraftüber-tragung per Gelenkfunktion

In Schwenk- oder Drehantrieben werden maximale Leistungsmomente auf engstem Raum generiert und in einer großen Varianz an Schwenkwinkeln in Schwenk- und Drehbewegungen freigesetzt. Üblicherweise werden in Robotik-Anwendungen Winkel zwischen 45° und 360° vorgegeben. Diese Antriebe sind kompakte Aggregate, die mit hydraulischem oder pneumatischem Druck eine Antriebswelle bewegen. Bei Cobots wird der Drehantrieb beispielsweise zum Werkzeug- oder Werkstückwechseln benötigt. Bei Humanoiden liegt der Fokus auf den Dreh- und Haltefunktionen. Für die verlässliche Steuerung und Stabilisierung der Bewegungen werden folgende Dichtungen und Dämpfer benötigt:

IPSR-Dichtungen für Roboter-Gelenke (Ingress Protection Seal for Robots) bieten insbesondere in Outdoor-Einsätzen einen exzellenten Schutz vor Umwelteinflüssen bei minimaler Reibung. Diese Dichtungen und Dämpfungselemente sind aufgrund hochwertiger Polyurethan-Materialien und einer jeweils spezifischen Dichtungs-Geometrie für eine lange Lebensdauer ausgelegt, Mit einer geringen Reibung, hoher Flexibilität und einer einfachen Montage stellen sie eine zuverlässige Dichtungsleistung sicher und steigern damit die lange Funktionsfähigkeit und Prozess-Effizienz von Gelenkarmrobotern und Humanoiden.
O-Ringe aus NBR sind doppeltwirkende Dichtelemente. Ihre durch den Einbau in axialer oder radialer Richtung hervorgerufenen Anpresskräfte bewirken die Anfangsdichtheit des Systems. Durch die dann erfolgende Überlagerung durch den Systemdruck entsteht eine Gesamtdichtpressung, die mit steigendem Systemdruck zunimmt. Dabei verhält sich der O-Ring unter Druck ähnlich wie eine Flüssigkeit mit einer hohen Oberflächenspannung und überträgt den Druck gleichmäßig nach allen Seiten. Die Werkstoffklasse NBR wird hier insbesondere aufgrund ihrer ausgezeichneten Beständigkeit gegen Öle und andere Schmierstoffe eingesetzt.
Radial-Wellenabdichtungen bilden die Schnittstelle zwischen rotierenden und festen Bauteilen. Sie halten Schmierstoffe in der Maschine und verhindern gleichzeitig den Eintritt von Schmutzpartikeln. Jede Dichtung verfügt über eine präzise geformte Dichtlippe, die den konstanten Kontakt zur rotierenden Welle sicherstellt. Insbesondere beim Einsatz in Cobots unterliegen die Komponenten der Drehantriebe extremen Belastungen – beispielsweise hohen Beschleunigungen, plötzlichem Abbremsen und dauerhaften Rotationsbewegungen. In diesen Prozessketten entscheidet eine möglichst geringe Reibung über die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Roboters. Hier minimieren Öldichtungswerkstoffe und NBR/FKM-basierte Radialdichtungen den Verschleiß an der Lippe-Welle-Schnittstelle und stellen auch bei variierenden Geschwindigkeiten und Temperaturen einen stabilen Anpressdruck sicher.
Gelenkwellen werden dafür konzipiert, Drehbewegungen und Drehmomente effektiv von einer Welle auf eine andere zu übertragen – also für die Drehmomentübertragung zwischen versetzten Antriebsachsen. Für die hier benötigten Dichtungsprofile und Werkstoffe gilt das Gleiche, wie für die oben beschriebenen Radial-Wellendichtringe.
PTFE zeichnet sich durch eine hohe thermische Stabilität und eine sehr gute Flexibilität über einen breiten Temperaturbereich aus. In Robotik-Anwendungen wird er dort eingesetzt, wo Temperaturwechsel mit physiologischen Höchstleistungen einhergehen und auch Witterungseinflüsse sowie Ozon- und UV-Belastungen die Arbeitsumgebung dominieren können. Ergänzt werden diese herausragenden Materialeigenschaften durch sehr gute elektrische Isoliereigenschaften und eine gute Beständigkeit gegen eine Vielzahl polarer Chemikalien.

Linearantriebs-Aggregate – Bewegung mit hochpräziser Feinjustierung

Linearantriebe wandeln elektrische Energie direkt in eine lineare Bewegung um und ermöglichen es Robotern, eine Vielzahl an Aufgaben akkurat durchzuführen – präzise, energieeffizient und wiederholbar. Damit sind sie für moderne Robotik-Anwendungen essenziell. Bei humanoiden Robotern steuern Linearantriebe Gelenke und Gliedmaßen mit menschlicher Dynamik und natürlichen Gelenkbewegungen. Cobots profitieren darüber hinaus insbesondere in beengten Produktionsumgebungen von ihrer kompakten Bauweise und agieren in der Mensch-Maschine-Kollaboration auch unter herausfordernden Umgebungsbedingungen sicher und zuverlässig. Hier sind die folgenden Dichtungs- und Dämpfungskomponenten erforderlich:

Kolbendichtungen gewährleisten eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinderrohr der Robotik-Applikation. Dabei müssen die Dichtungen ihre Funktion auch unter extremen Bedingungen, wie hohen Drücken, starken Temperaturschwankungen und gegebenenfalls chemischen Umgebungseinflüssen zuverlässig erfüllen. Neben einer hohen Verschleißfestigkeit der Dichtung trägt ein schonendes, reibungsarmes Gleiten der Dichtung auf der Gegenlauffläche zur langlebigen Kraftübertragung bei. Je nach Einsatzort des Cobots oder Humanoiden kommen für Kolbendichtungen vorwiegend Werkstoffe wie Polyurethan und Polyamide zum Einsatz, deren Dichtungs-Geometrien passgenau gefertigt werden. So können sie den geringen Abrieb der Kontaktflächen sowie eine niedrigere dynamische Reibung sicherstellen.
Das Vermeiden von Leckagen oder einem unerwünschten Medientransfer ist von elementarer Bedeutung für den sicheren Betrieb von Linearantriebs-Aggregaten: Fehlt Schmierstoff im Inneren des Systems, kommt es über kurz oder lang zu Ausfällen. Wenn Schmierstoffe oder Abrieb-Partikel jedoch beim Einsatz in medizintechnischen Umgebungen aus dem Robotik-System entweichen, können gefährliche Kontamination der OP-Umgebung erfolgen. Für diese anspruchsvollen Aufgaben werden Anpress-Dichtungen aus NBR oder FKM eingesetzt, die sich durch ihre hohe Alterungsbeständigkeit sowie durch ihre sehr gute Schmierstoff-Beständigkeit und eine geringe Druckverformung auszeichnen.
Stangendichtungen halten das Betriebsmedium des Linearantrieb-Systems zuverlässig im Zylinderinneren und verhindert das Eindringen von Schmutz, Feuchtigkeit oder Staubpartikeln. Dabei sorgen die Dichtungen selbst bei hohen Systemdrücken, starken dynamischen Belastungen und extremen Umweltbedingungen für eine maximale Funktionssicherheit und sind damit ein Garant für die Betriebsfähigkeit der Roboter-Anwendung. Durch unterschiedliche Dichtungsdesigns sorgen sie unter anderem dafür, dass ein verbleibender Ölfilm auf der Kolbenstange auf ein Minimum begrenzt wird. Auch bei Stangendichtungen bewährt sich PU als favorisierter Werkstoff aufgrund seiner hohen Medienbeständigkeit und mechanischen Belastbarkeit, seine exzellente Elastizität sowie eine außergewöhnliche Weiterreiß- und Abriebfestigkeit.
In Linearantrieben setzen mechanische oder elektronische Nocken eine Drehbewegung mit hoher Präzision und Beschleunigung in eine Linearbewegung um. Die hier benötigten Dämpfer schützen die empfindlichen Gelenkmechanismen vor einer Vibrationsübertragung und puffern auch stärkere Erschütterungen zuverlässig ab. Sie werden aus der robusten, langlebigem und gummielastischem Werkstoffklasse PTFE gefertigt. Je nach Anforderungsprofil bewähren sich hier zudem Dämpfungselemente aus Naturkautschuk (NR – Natural Rubber).

Hand-Aggregate – Sensorik und Präzision

Die Entwicklung und der Bau funktionsfähiger Hand-Aggregate ist die Paradedisziplin der Humanoiden-Robotik. Roboterhände sind Interaktions-Schnittstellen. Sie müssen in der Lage sein, komplexe Bewegungen zu koordinieren. Dabei müssen sie unterschiedliche Greiftechniken anwenden und auf äußere Reize so reagieren, dass die eingesetzte Kraft exakt der gestellten Aufgabe entspricht. Hierfür sind kleinformatige Motoren, eine ausgeklügelte Sensorik und perfekt trainierte Steuerungs-Algorithmen erforderlich. Für die hochkomplexe Antriebstechnik werden viele der in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Dichtungs-Komponenten in kleinskaligen Formaten benötigt. Ein entscheidender Bereich für Werkstoff-Experten wurde bisher jedoch noch nicht beschrieben: Die taktile Sensorik:

Sensible Fingerkuppen – leitfähige Polymere

Die sogenannte „Taktile Sensorik“ umfasst die Tastempfindung und Manipulation durch Roboterhände und soll perspektivisch dem menschlichen Tastsinn nahekommen. Aktuell wird an unterschiedlichen leitfähigen Sensorik-Materialien geforscht. Im Juni 2025 meldete die University of Cambridge die Entwicklung einer elektronischen Polymerhaut, die Robotern und Prothesen ein nahezu menschliches Tastempfinden verleihen soll. Diese Haut basiert auf leitfähigen Kohlenstoff-Nanoröhren und diese wiederum erlauben es Robotern, sicher mit ihrer Umwelt zu interagieren. Auch in der Dichtungsindustrie werden erste Elemente der taktilen Sensorik entwickelt und getestet und leitfähige Polymere bilden die Basis für diese zukunftweisenden Entwicklungen.

Gleitdichtung – s. Linearantriebs-Aggregate „Stangendichtungen und Gleitdichtringe

IPSR®-Dichtung – s. Drehantriebs-Aggregate „Für den Außeneinsatz“

Weitere Themen

Robotik

Robotik: Dieser Begriff umfasst eine Wertschöpfungskette, die vom Industrieroboter über Gelenkarmroboter, Cobots und autonome Roboter der Lagerverwaltung reicht – und darüber hinaus auch die Konstruktion humanoider Roboter einschließt, die der Vielfalt des menschlichen Leistungsvermögens nahekommen sollen. In jeder dieser Prozessketten geht es um maßgeschneiderte Robotermechaniken im Zusammenspiel mit State of the Art–Modellen der künstlichen Intelligenz und ausgeklügelter Sensorik.

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Frage an die Branchen-Experten

Dr. Daniel Froelich, Technical Director Lead Center Simmerring®, und Christian Wilbs, Product Design Engineer at Freudenberg Sealing Technologies, über Erfolgsfaktoren in der dynamischen Welt der Robotik.

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