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Miniaturisierte Mechanismen

Der Weg von der Makro- in die Mikrowelt

  1. Günter Ganß Günter Ganss PROTOTYPING
  2. Jörg Müglitz ZIS Industrietechnik GmbH

Abstract

Bei der Entwicklung miniaturisierter Mechanismen müssen neue Wege beschritten werden, sei es hinsichtlich geeigneter Getriebestrukturen, der Gelenkgestaltung oder auch der Gelenkbauform. Mit Verfahren des Rapid Prototyping gelingt es, neue Bau- und Wirkprinzipien schnell und kostengünstig zu testen bzw. zu untersuchen und für Kunden gegenständlich zu machen. Der Vortrag beschreibt für Führungsmechanismen mit verschiedenen Strukturprinzipien Entwicklungsschritte der konstruktiven Gestaltung, ausgehend von konventioneller maschinenbautechnischer Gestaltung hin zu klein bauenden Mechanismen, hergestellt unter Nutzung von Rapid - Prototyping -Technologien.

Keywords

3. Wege zur Miniaturisierung

3.1. Gelenkgestaltung

Das Beispiel führt vor Augen, welche Möglichkeiten Mechanismen innewohnen, zeigt jedoch auch, welcher Aufwand an Gliedern und Gelenken dafür erforderlich ist.

Der konstruktive Aufwand zur Gewährleistung der kollisionsfreien Beweglichkeit der einzelnen Glieder zueinander ist hoch und erfordert gleichermaßen einen hohen Fertigungsaufwand.

Nur mit großem Aufwand und nur unter Verwendung speziell entwickelter Gelenke lassen sich solche Mechanismen spielarm ausführen.

Die Übertragung der Bewegungsaufgabe in wesentlich kleinere Abmessungsbereiche, initiiert durch Anwendungsfelder in der Medizintechnik, erforderte zunächst eine angepasste Gestaltung der Gelenke und zwang darüber hinaus zum Nachdenken über grundsätzlich andere Wirkprinzipien.

Abbl 2 zeigt Denk- und Entwurfsschritte bei der Entwicklung einer miniaturisierten Plattform.

Ausgehend von einer Parallelstruktur mit F=3 wurde zunächst in Erwägung gezogen, die Dreh- und Kugelgelenke durch stoffschlüssige Gelenke zu ersetzen und den Antriebsschieber, die Koppel und die beiden Gelenke in einem monolithischen Bauteil zu vereinigen. Die Gelenke werden gebildet durch lokale Steifigkeitsunterschiede und verkörpern, je nach ihrer Gestaltung, ein Dreh- bzw. ein Kreuzgelenk.

Um die Gelenke für einen nennenswerten Gelenkdrehwinkel tauglich zu machen sind Werkstoffe mit hoher elastischer Dehnung, hoher Festigkeit und nicht zu geringer Steifigkeit erforderlich. Vorteilhaft verwendbar sind superelastische Legierungen aus Nickel-Titan (NiTi). Deren elastisches Dehnvermögen reicht bis zu 8% 2 .

Abb.2

Abb.3

Der nächste Schritt beinhaltete die Abkehr von der für die traditionelle Mechanismentechnik typischen Trennung zwischen Glied und Gelenk zugunsten von komplett elastischen Gliedern. Jedes der Plattformbeine ist eine Biegefeder und wird als eine hochgradig statisch unbestimmte Gelenkkette betrachtet. Durch die Rückstellkräfte der drei Biegefedern stellt sich ein Kräftegleichgewicht ein und erhält die Plattform eine definierte Lage. Da die inneren Kräfte vergleichsweise hoch sind wird, eine erstaunliche Steifigkeit und Tragfähigkeit bei einem sehr einfachen Aufbau möglich (Abb. 3) 3 .

3.2. Neue Wege in der Fertigungstechnik

Hilfreiche Werkzeuge bei der Verkleinerung von Mechanismen sind die Verfahren des Rapid Prototyping. Die konventionelle Fertigung mit spanenden, kostenintensiven Verfahren ist so unter Umständen komplett entbehrlich und wird ersetzt von einem Prozess, der das Werkstück aus Computerdaten weitgehend automatisiert schafft.

Für den Entwickler öffnet sich eine neue Welt. Einerseits ist es ihm möglich, in sehr kurzer Zeit das Ergebnis seiner Arbeit in Augenschein nehmen zu können. Andererseits ist der Kostenaufwand überschaubar und nicht mit dem einer spanenden Bearbeitung zu vergleichen, so dass in gewissem Rahmen auch Experimente und Versuche möglich sind.

So lassen sich problematische Bauteile in Augenschein nehmen, Kollisions-, Einbau- und Beweglichkeitstests vornehmen, Ideen anschaulich machen, Modelle bauen, Kunden überzeugen.

Aus technischer Sicht wiederum stehen ganz neue Gestaltungsmöglichkeiten zur Verfügung. Hinterschneidungen, Vielseitenbearbeitung, Freiformflächen, Bauteile ohne geeignete Einspannmöglichkeiten, all dies stellt für die Rapid-Prototyping- Verfahren keine Schwierigkeit dar.

Vieles, selbstverständlich nicht alles, was für den klassisch ausgebildeten Konstrukteur bisher unmöglich schien, ist machbar.

In diesem Punkt jedoch steckt auch ein Problem dieser modernen, innovativen Verfahren: Ihre Möglichkeiten müssen den potentiellen Kunden vermittelt werden, den Kunden muss die Scheu vor einer völlig neuen und anderen Herangehensweise genommen werden.

Gerade im konventionellen Maschinenbau dürfte deshalb für Rapid Prototyping- Verfahren noch ganz erhebliches Anwendungspotential verborgen sein.

Wenn, wie bei vorliegenden Beispielen, „forschungsnah“ gearbeitet wird, sind die Möglichkeiten des Rapid Prototyping von besonderer Bedeutung. Es ging bei allen aufgeführten Beispielen weniger um fertige und perfekte Produkte als um die Entwicklung von Ideen und Konzepten, den Test auf prinzipielle Machbarkeit und die Schaffung von Diskussionsgrundlagen.

4. Beispiele

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