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Fallstudien aus dem Bildungsbereich

3D-Druck sorgt für praktische Lernerfahrungen und eine bessere Zukunft

Mit 3D-Druck können Entwickler von heute und Wissenschaftler, Ingenieure und Designer von morgen in Laboren und Unterrichtsräumen die Herausforderungen unserer Welt angehen.

Mit Objet 3D-Modellen CAD hinter sich lassen

Roboterkomponente

Das Interesse des BRML an kinematischer und mechanischer Entwicklung entspringt der Überzeugung, dass sich viele Entwickler zu sehr auf computergestützte Designtools und Software verlassen. BRML hingegen konzentriert sich auf das Stellen aussagekräftiger Fragen und das Bemühen um eines umfassenden Verständnisses der untersuchten Probleme und Prozesse. Fasziniert von der Tiefe und Komplexität der Kunst der Analyse und Synthese von Körpern in Bewegung und der mechanischen Konstruktion verwenden Dr. Wolf und sein Team kinematische Tools wie 3D-Modelle für ihre Arbeit.

Das BRML entwickelt mechanische Strukturen, Steuerungen und Bewegungspläne für hyperredundante Mechanismen. Ein redundanter Roboter verfügt mindestens über einen Freiheitsgrad mehr als erforderlich, um einfache Einschränkungen ausgleichen zu können, z. B. um eine Zielposition mit dem Ellenbogen nach oben statt nach unten erreichen zu können. Hyperredundante Roboter verfügen über wesentlich mehr Freiheitsgrade als erforderlich, um unter schwierigen Umgebungsbedingungen mehr Hindernisse zu bewältigen und gleichzeitig eine Vielzahl an Aufgaben durchführen zu können. Das BRML fertigt mit dem Objet Connex350 3D-Drucker robuste, komplett funktionstüchtige Modelle, anhand derer Kinematik, Designkriterien und Steuerung dieser komplexen Mechanismen untersucht werden. Der Fokus liegt auf hyperredundanten Robotern, die entweder auf einem festen Sockel montiert (z. B. ein Elefantenrüssel) oder frei beweglich sind (z. B. ein Schlangenroboter).

Das Labor konzentriert sich auf Kinematik und Robotik in Bereichen, die einen unmittelbaren Beitrag zu Wissenschaft und Gesellschaft leisten können. So ermöglicht beispielsweise die Arbeit an medizinischen Geräten und der Robotik das Umsetzen neuer, zuvor unmöglicher medizinischer Verfahren. Zudem verhilft die Arbeit an Such- und Rettungsrobotern zum besseren und schnelleren Auffinden von Überlebenden, wobei das Verletzungsrisiko des Such- und Rettungspersonals verringert wird. Für diese und andere Anwendungen wird beim BRML ein Objet Connex350 3D-Drucker verwendet, um qualitativ hochwertigen und funktionelle Robotermodelle zu fertigen.

Der Connex350 Multimaterial-3D-Drucker erfüllt die hohen Ansprüche des BRML

Der hochmoderne Connex350 Multimaterial-3D-Drucker wird derzeit an der Maschinenbaufakultät hauptsächlich zu Forschungszwecken in einer Vielzahl von Bereichen getestet und von allen Wissenschaftlern der Fakultät sowie von Fachleuten anderer Fachbereiche des Technions verwendet. Weitere Bereiche, in denen der Connex350 bereits eingesetzt wurde, sind medizinische Roboter, Biorobotik, Biomechanik und Flugklimatologie. Der Connex350 wird zudem im Rahmen vieler Studentenprojekte und für eine Reihe von Lehranwendungen genutzt.

Nach einer umfassenden Prüfung aller verfügbarer 3D-Drucktechnologien hielt man beim BRML den Objet Connex350 3D-Drucker für das optimale System für zahlreiche Forschungsgebiete. Ausschlaggebend waren die hohe Schichtenauflösung und die glatten Oberflächen. Die Kombination dieser Merkmale mit zahlreichen mechanischen Eigenschaften wie Zug-, Biege- und Schlagfestigkeit in einem Herstellungsprozess führt zu einer deutlich höheren Robustheit der gedruckten Bauteile. Dank dieser zusätzlichen Robustheit konnte das BRML haltbare Bauteile für physische Tests und Funktionsanwendungen fertigen.

Mit dem Connex350-System konnte das BRML in einem Durchlauf komplexe Strukturen drucken, die die meisten Design- und Strukturanforderungen erfüllten. So benötigte das Labor beispielsweise ein starres Gehäuse mit einer Schutzbeschichtung. Für das Gehäuse wurde FullCure720 und für die Beschichtung gummiartiges TangoPlus verwendet, um für Schwingungsdämpfung, Schlagfestigkeit und den erforderlichen dynamischen Reibungskoeffizienten (Abbildung 1) zu sorgen. Die umfassenden Untersuchungen des Teams ergaben, dass der Connex350 das weltweit einzige 3D-Drucksystem ist, das eine derartige Kombination physikalischer Eigenschaften in einem Durchlauf bereitstellen kann.

Objet-Technologie verbessert Forschungsmethoden

Oded Salomon, Biorobotics Research Engineer, betont den “enormen Fortschritt in der Vorgehensweise bei unseren Forschungen im Vergleich zu noch vor einem Jahr. Das Objet Connex350-System ermöglicht uns in nur wenigen Tagen die Fertigung funktioneller Modelle für physische Tests. Dadurch können wir die gewünschten Ergebnisse in kurzer Zeit und kostengünstig erreichen.”

Heute kann das BRML funktionelle Bauteile fertigen, während früher der Weg über herkömmliche Werkstätten viel Zeit in Anspruch nahm. Das Fertigungsdesign mit der Objet-Technologie unterscheidet sich grundlegend vom herkömmlichen CNC, da sich komplexe Overmolding-Modelle herstellen lassen, die mit keiner anderen Technologie möglich sind. Oded Salomon erläutert: “Die Konstruktion mit CAD ist eine schöne Sache, aber es ist wirklich kein Vergleich mit physischen und funktionellen Connex350-Modellen.”

Heute kann das BRML die Entwürfe mit komplexeren Konstruktionsaspekten angehen – dank der “faszinierenden Matrix-Technologie von Objet.”

Bessere Ergebnisse bei Zeit- und Kostenersparnis

Die Objet-Technologie verringert beim BRML den Zeitaufwand bis zum Endprodukt. Dies bedeutet in der Robotikforschung, dass in bedeutend mehr Konzepte geprüft und verglichen werden können. Dadurch entstehen schneller bessere Modelle, wodurch wiederum Kosten gespart werden. So ist das BRML nun in der Lage, das ausgewählte Modelldesign in einem kürzeren Zeitraum fertig zu stellen und somit bessere Gesamtergebnisse zu erzielen.

Mit dem Connex350 kann das BRML Fehler früher im Entwicklungszyklus erkennen, was beim einem Schlangenroboter mit vielen Wirbeln von Vorteil ist. Alle Fehler im Entwurf zu finden, ist von entscheidender Bedeutung, denn das frühe Auffinden solcher Fehler spart im Gesamtprozess viel Geld. Außerdem erfordert ein Rapid Prototyping-System keine besondere Infrastruktur. Daher kann es im BRML an einem zugänglichen Ort aufgestellt werden. Andere Systeme erfordern einen separaten Raum, der bestimmte Umgebungsanforderungen erfüllt. Dr. Alon Wolf gibt zu, dass man beim BRML froh darüber ist, dass die Objet-Technologie keinen derartigen Einschränkungen unterliegt. “Den Connex350 in einem normalen Büro aufstellen zu können ist attraktiver und sorgt für Zeitersparnis und Zugänglichkeit.»

Das BRML gewinnt mit der Objet-Technologie

Das BRML sorgte durch die Präsentation der mithilfe der Objet-Technologie hergestellten Schlangenroboter auf der Israeli Conference on Robotics (ICR 2008) für großes Aufsehen. Dies verschaffte dem Labor wertvolle Publicity und die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftssendungen im israelischen Fernsehen und Radio. Zudem wurden einige der Roboter bei einem Wettbewerb für Vordiplomantenprojekte des Technion eingereicht und erhielten prestigeträchtige Auszeichnungen.

Auch die einzelnen Wissenschaftler profitierten von der Arbeit an den Objet-Modellen. Sie konnten für ihre Forschungen werben, und einige der Entdeckungen wurden dank der funktionellen, mit dieser Technologie gefertigten Prototypen patentiert. Ein wichtiger Faktor hierfür war der hauseigene Connex350.

Dr. Wolf fasst den Wert des eigenen Objet 3D-Prototypings zusammen: “In der Robotikforschung ist es geradezu ein MUSS, mit dieser Technologie zu arbeiten. In der Robotikforschung ist nichts mit der Möglichkeit vergleichbar, die verrückte Idee der letzten Nacht am nächsten Morgen bereits in Händen zu halten.”

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