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Basierend auf einem bionischen Gelenkmechanismus nach dem Vorbild eines Spinnenbeins wurde ein SCARA-Gelenkroboter mit zwei bionischen Gelenken und einem konventionellen Höhenantrieb entwickelt. Hierbei entstand ein Soft-Roboter-System, das eine natürliche Nachgiebigkeit bei einer Kollision mit dem Werker aufweist. Die Forschungsarbeiten gliederten sich in die Teilbereiche Konstruktion, Elastomerkom-ponenten und Regelungstechnik. Nach Abarbeitung dieser Teilpakete wurde ein Demonstrator aufgebaut und dessen Leistungsdaten ermittelt. In einer abschließenden Bewertung konnte der BioFlexRobot mit bestehenden Systemen verglichen werden. Der vorliegende Bericht fasst die Forschungsergebnisse zusammen.
Roboter halten in vielen Bereichen unserer Gesellschaft immer mehr Einzug. Dies bedeutet auch, dass der Mensch gemeinsam mit dem Roboter Arbeiten verrichten muss, ohne dass es zu Verletzungen kommt. Um dieses Ziel zu erreichen, sind neben den bisherigen mechatronischen Systemen auch neue Konstruktionsprinzipien gefragt. Konstruktionsbeispiele für nachgiebige Gelenke liefert die Natur. Am Beispiel einer bionischen Konstruktion nach dem Vorbild eines Spinnenbeins wird die Realisierung eines Softroboters „BioFlexRobot“ vorgestellt. Abschließend werden die Einsatzgrenzen dieses Gelenkroboters aufgezeigt und mögliche neue Forschungsfelder zur Leistungssteigerung aufgezeigt.
This study examines the effects of using different types of visualization for task in- structions within engineering studies. Participant observation and guided group interviews were used to determine both the learning difficulties of students and their expectations towards the educational use of 3D models.Comparing between three different modes of representation of the same model (2D drawings, per-spective 3D models and stereoscopicobject representations), the performance of task execution, the speed for task handling and the perceived cognitive workload of one taskwere measured. 183 students take part in the study. It was found, that the participants that used stereoscopic object-representations per-ceived task less complex than the groups using perspective 3D or paper based 2D-representations.
Die Untersuchungsergebnisse haben wichtige Erkenntnisse sowohl auf dem Gebiet der statischen und dynamischen Festigkeit von CFK-Laminaten, als auch ihrer Anwendung in der Verbindungstechnik geliefert. Es konnte gezeigt werden, dass die statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften von Laminaten aus den zwei gängigen Herstellverfahren „RTM“ und „Autoklav“ vergleichbar sind. Die Festlegung der Lasthorizonte und Darstellung der Wöhlerlinien nach der Methode des Restfestigkeitsabfalls hat sich bei den durchgeführten Schwingversuchen als sehr nützlich erwiesen. Die ermittelten Restfestigkeitskurven liefern wichtige Basisdaten für zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der rechnerischen Lebensdauervorhersage von CFK-Laminaten. Die Festigkeitseigenschaften von CFK-Bauteilen mit Konstruktionskerben wurden exemplarisch an Flachproben mit Bohrung untersucht und wichtige Erkenntnisse zur Stützwirkung des Laminats im Kerbbereich gewonnen. Erste FEM-Rechenmodelle zur Degradation der Steifigkeit und Festigkeit im Kerbbereich bestätigen diesen Stützeffekt. Die FEM-Modelle sollen weiterentwickelt und experimentell verifiziert werden. Die Untersuchung der 1-schnittigen Bolzenverbindung – ein gängiges Verbindungselement in der Faserverbundtechnik – ergab, dass die herkömmlichen, konstruktionsbegleitenden Überschlagsberechnungen des sogenannten Ausnutzungsgrades den tatsächlichen Schädigungsmechanismus nicht genau genug berücksichtigen. Insbesondere die ungleichmäßige Pressungsverteilung im Kontaktbereich Bolzen-Bohrung führt zu einem ungünstigen Tragverhalten der Verbindung, was bei Nichtberücksichtigung in der Vorabberechnung des Ausnutzungsgrades zu nichtkonservativen Ergebnissen führt. Die Entwicklung eines aussagekräftigeren, analytischen Berechnungsmodelles wird daher ein nächstes Ziel der Weiterarbeit an dem Projektthema sein. Die FE-Berechnung der Bolzenverbindung zeigte eine gute qualitative Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen, sofern auf eine sorgfältige Vernetzung im Kontaktbereich Bolzen-Laminat geachtet wird. Die Vorhersage der ersten Faserbrüche ist mit einem linear-elastischen FE-Modell möglich, der Schädigungsprozess bis zu einer noch tolerierbaren Lochaufweitung bzw. dem Zugbruch erfordert jedoch die Berücksichtigung der schrittweisen Degradation der Festigkeit und Steifigkeit des Laminats. Auch hier ergibt sich ein wichtiges, praxisrelevantes Feld für zukünftige Forschungsaktivitäten. Schließlich zeigten die Versuche ein erhebliches Kriechen der Proben, insbesondere bei höheren Lasten. Das Kriechverhalten hat wiederum seine Ursache in der hohen Druckbelastung auf das Laminat im Bolzenkontakt. Die Tragfähigkeit der ausknickenden Fasern geht örtlich verloren und die überlastete Matrix beginnt zu kriechen. Auch dieser Effekt wird weiter untersucht. Die Untersuchung der Klebverbindung, einem weiteren, wichtigen Verbindungselement für CFK-Bauteile ergab ein grundsätzlich, befriedigendes Tragverhalten, was die erreichbaren Ausnutzungsgrade betrifft. Allerdings fand das Versagen nicht in der Klebschicht, sondern an der Harzdeckschicht (debonding) statt, was wahrscheinlich zu einer stärkeren Streuung der Ausnutzungsgrade beigetragen hat. Hier ist zu untersuchen, ob sich dieses ungünstige Versagensverhalten durch Änderungen im Herstellprozess der Klebverbindung oder andere Kleber beeinflussen lässt. Die FE-Berechnung der Klebverbindung ergab eine gute Übereinstimmung mit der analytisch berechneten Schubspannung in der Klebschicht. Die Verwendung der Spannungsspitzen zur Vorhersage des Ausnutzungsgrades führt allerdings zu sehr konservativen Ergebnissen. Realistischer ist hier nach wie vor die Verwendung einer flächengemittelten Schubspannung incl. Sicherheitsfaktor. Auch hier sind Verbesserungen des analytischen Berechnungsmodells denkbar, die aber nur dann sinnvoll erscheinen, wenn der betrachtete Versagensort tatsächlich dem im Versuch entspricht.
Da es keine unfehlbaren Mitarbeiter gibt, werden Fehler gemacht. Entstandene Fehler schmälern den Gewinn, schaden dem Image und verzögern die Produktfertigstellung. Erfolgreiche Unternehmen unterscheiden sich von weniger erfolgreichen Unternehmen auch dadurch, wie sie mit dem Fehlerwissen umgehen und durch welche Maßnahmen Fehler zukünftig vermieden werden. Von den Fakultäten Maschinenbau/Versorgungstechnik und Informatik der Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg wurde das Projekt FAMOS bearbeitet. Mit den zugrundeliegenden Methoden und der dazu erstellten Software ist es zukünftig möglich, Fehlerursachen und -maßnahmen umfassend und effizient zu bestimmen und Fehler nachhaltig zu vermeiden. Dies führt zu einer Steigerung der Produktqualität und einer Minimierung der kostenintensiven Fehlerrate.
Mit einem 3D-CAD System wurde dem Konstrukteur ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem er schneller und zuverlässiger seine Konstruktionen am Rechner ausführen kann, als dies über Jahrhunderte hinweg mit dem Reißbrett möglich war. Aufbauend darauf können aus den räumlichen CAD-Daten über eine Rapid Prototyping Anlage schnell Bauteile für Anschauungs- oder Funktions-muster hergestellt werden. Umgekehrt hierzu ist es möglich, reale Objekte mit einem 3D-Scanner zu erfassen, um diese dann in die virtuelle Rechnerwelt zurück-zuführen. Schließlich können die CAD Konstruktionen an einer virtuellen Wand als Modelle realistischer als am Monitor betrachtet werden. Anhand ausgesuchter Fallbeispiele soll gezeigt werden, wie mit diesen 3D-Werkzeugen die Produktentwicklungs-prozesskette beschleunigt, die Produktkosten gesenkt und die Qualität gesteigert werden können.
Smart Materials actuators in the form of wires made of shape memory alloys in combination with additively manufactured carrier components are used in a wide variety of prototype developments of innovative joint assemblies. This combination is relevant because of the same manufacturing costs of the additively manufactured components, which are independent of the quantity of parts, the free geometric design possibilities as well as the huge energy density of the aforementioned actuator technology. In particular, the focus is on the possibility of appropriately fitting large wire lengths on a compact part volume while taking into account acceptable force losses. Since there is no design guideline for such joint developments, each is individual, which results in unnecessarily long development times and a higher risk of errors. Based on selected in-house and third-party examples, integration possibilities of shape memory alloy wire actuators in additively manufactured carrier components are analysed and transferred into a universally applicable design guideline. These recommendations are brought into the framework of existing design guidelines of the VDI (Verein Deutscher Ingenieure – Association of German Engineers), namely VDI 2206 and VDI 2221 with extensions for additive manufacturing, for a better usability and integrability into existing processes. Finally, this results in a simplified access to the topic of the combination of additive manufacturing and shape memory alloys and a more efficient realisation of such joint developments.
Nature provides a considerable number of good examples for simple and very efficient joint assemblies. One example is the enormously flexible cervical spine of American barn owls, which consists of 14 cervical vertebrae. Each pair of vertebrae produces a comparatively small individual movement in order to provide a large overall movement of the entire cervical spine. The biomimetic replication of such joints is difficult due to the delicate and geometric unrestricted joint shapes as well as the muscles that have to be mimicked. Using X-ray as well as micro-computed tomography images and with the utilisation of additive manufacturing, it was possible to produce the owl neck vertebrae in scaled-up form, to analyse them and then to transfer them into technically usable joint assemblies. The muscle substitution of these joints was realised by smart materials actuators in the form of shape memory alloy wire actuators. This actuator technology is outstanding for its muscle-like movement and for its high-energy density. The disadvantage of this wire actuator technology is the low rate of contraction, which means that a large length of wire has to be installed to generate adequate movement. For this reason, the actuator wires were integrated into additively manufactured carrier components to mimic biological joints. This resulted in joint designs that compensate for the disadvantages of the small contraction of the actuators by intelligently installing large wire lengths on comparatively small installation spaces, while also providing a sufficient force output. With the help of a test rig, the developed technical joint variants are examined and evaluated. This demonstrated the technical applicability of this biomimetic joints.
Abschlussbericht BioSattel
(2023)
Im Projekt BioSattel wurden zwei Methoden zur Analyse der Beanspruchung von Eulenhalswirbeln unter Last mittels FEM durch Substitution von biologischen Komponenten durch technische Bauteile erarbeitet. Auf die für eine sinnvolle Analyse notwendigen Informationen sowie auf die sich in der FEM ergebenden Restriktionen wird hingewiesen. Weiterführend sind basierend auf der Geometrie der Eulenhalswirbel die Grundlagen für die geometrische Beschreibung, die Kinematik und die Auslegung eines technischen Sattelgelenks erarbeitet worden. Dies ermöglicht nun die Dimensionierung bezüglich Betriebsverhalten und Belastung. Das sich aus der Geometrie ergebende Spiel des Gelenks kann rechnerisch ohne den Einfluss von Fertigungs- und Montageabweichungen abgeschätzt werden. Zusätzlich werden numerische Methoden zur detaillierteren Analyse eines Sattelgelenks hergeleitet und beschrieben. Mit den entwickelten Gleichungen kann für spezielle Anwendungen nun ein Sattelgelenk in Betracht gezogen werden. Die derartig gewonnenen Erkenntnisse konnten erfolgreich bei der Entwicklung eines ersten Prototypen im Rahmen einer Bachelorarbeit angewendet werden. Dies ermöglichte eine direkte Iterationsschleife in der Berechnungsmethodik durch Überprüfen der Handhabung im Rahmen der Arbeit des Studenten. Es ist somit konstruktiv ein Prototyp eines technischen Sattelgelenks unter der Verwendung von FGL-Aktoren entstanden. Der Prototyp wurde mittels additiver Fertigung (FDM und SLS) aus PLA bzw. Nylon12 hergestellt und montiert. Weiterführend wurden die CAD-Daten mittels Topologieoptimierung in der FEM-Software ANSYS hinsichtlich Gewicht und Spannung optimiert.