Konstruktion: Biegsame Verbindungen einfacher erstellen

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Herkömmliche Gelenke und Scharniere durch flexible, elastische Mechaniken zu ersetzen, die ähnliches leisten, hat eine Reihe von Vorzügen, unter anderem die einfachere Fertigung im 3D-Druck. Der Nachteil: das Konstruieren wird komplizierter. Ein von Disney Research entwickeltes Berechnungstool, das an der SIGGRAPH 2017 vorgestellt wird, verspricht nun einen leichteren Wechsel von festen zu nachgiebigen Konstruktionsbauteilen.

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Herkömmliche Gelenke und Scharniere durch flexible, elastische Mechaniken zu ersetzen, die ähnliches leisten, hat eine Reihe von Vorzügen, unter anderem die einfachere Fertigung im 3D-Druck. Der Nachteil: das Konstruieren wird komplizierter. Ein von Disney Research entwickeltes Berechnungstool, das an der SIGGRAPH 2017 vorgestellt wird, verspricht nun einen leichteren Wechsel von festen zu nachgiebigen Konstruktionsbauteilen.

Die Lösung kann die Konstruktion eines konventionellen, mit unelastischen Scharnieren versehenen Geräts hernehmen und automatisch dessen Teile durch solche ersetzen, welche dieselbe Funktion durch Flexibilität erreichen würden.

Bernhard Thomaszewski, früher Wissenschaftler bei Disney, nun Assistant Professor an der Universität Montreal, erklärt, dass man nachgiebige Mechanismen in der Industrie bereits vielfach einsetze, von mikroelektromechanischen Systemen über Klammern, Schnappverschlüssen an Rucksäcken bis hin zu Shampoo-Deckeln. Sogar ihr weiterer Einsatz in Maschinen sei wegen ihrer Genauigkeit und einfachen Fertigung reizvoll.

„Unglücklicherweise ist die Konstruktion flexibler Bauteile schwierige als jene für starre, weil sie ein besseres Verständnis des Verhaltens von Werkstoffen erfordert, wenn sich deren Form ändert“, fügt Moritz Bacher hinzu, Wissenschaftler bei Disney Research. Thomaszewski, Bacher und ihre Mitarbeiter stellen das neue Verfahren an der SIGGRAPH 2017 ab den 30. Juli in Los Angeles vor.

Vorbild Natur

Markus Gross, Vice President Disney Research sieht unelastische Gelenkverbindungen als ein Konzept an, das die Natur nicht vorsieht. Ob Känguruhbeine oder Fledermausflügel, Knochen, Sehnen und Knorpel bilden die Grundlage dieser organischen Maschinen. Das Forscherteam habe ein Tool entwickelt, das die Entwicklung von Maschinen, die so effizient und robust wie die Vorbilder in der Natur seien, leichter machen würde.

Mit der Fähigkeit, komplexe Geometrien aus einer Vielzahl zäher und flexibler Werkstoffe zu erschaffen, erweist sich der 3D-Druck als ideale Option, diese nachgiebigen Mechanismen zu fertigen. Die Wissenschaftler haben das Verfahren getestet, indem sie verschiedene Vorrichtungen in 3D gedruckt haben, etwa die Steuerungsmechanik eines Spielzeugautos, eine flexible Hand und ein vielgliedriges Bein, auch bekannt als Jansens Linkage.

Das Konstruktionswerkzeug ersetzte konventionelle Gelenke und Koppelungen durch elastische Pendants, mit Ausnahme von Scharnieren, die eine Rotation von mehr als 360 Grad erlauben, denn für diese gibt es keinen entsprechenden Ersatz. Die Software optimiert dann die Leistung der Vorrichtung, modifiziert das Design nach Bedarf, um seitliche Stabilität zu gewährleisten, hilft mögliche Kollisionen zwischen Verbindungskomponenten vermeiden und reduziert Spannungen, die zum Bruch eines Bauteils führen könnten.

Dieser Prozess stellt die gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung sicher. Hauptsächlich wird eine robuste Konstruktion angestrebt, auch wenn dies manchmal zu Lasten der Genauigkeit im Einsatz geht.

Zum Entwicklerteam gehören außer Thomaszewski, Bacher, Gross und Coros Vittorio Megaro von der ETH Zürich und Jonas Zehnder.

Bild: Steuerungsmechanik eines Spielzeugautos. Quelle: Disney Research.

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