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Obwohl viele Dinge in unserem Alltag inzwischen modernisiert sind und Maschinen uns die lästigsten Arbeiten abnehmen, kann es in vielen Arbeitsbereichen bisher nicht vermieden werden, dass schwere Arbeiten weiterhin von Menschenhand bewegt werden müssen.
Aus diesem Grund wird schon seit einiger Zeit an Exoskeletten geforscht, welche hier die Arbeit erleichtern sollen.
Ziel meiner Forschungsarbeit ist es ein nach außen verlagertes mechanischen Schultergelenk zu entwickeln, welches die komplexe Struktur der menschlichen Schulter mechanisch umschließen und stützen kann, ohne den Bewegungsfreiraum stark zu beeinträchtigen.
Es galt dabei folgende Forschungsfrage zu beantworten: Ist es möglich das Schultergelenk durch eines oder mehrere nach außen verlagerte Gelenke zu ersetzen, die entstehenden Kräfte abzuleiten und den Bewegungsfreiraum trotzdem zu erhalten?
Um diese Frage zu beantworten wurde in erster Linie das Gespräch mit Physiotherapeuten und Orthopäden gesucht, um ein Basiswissen über den Aufbau und die Bewegungen einer Schulter zu erhalten. Auf Basis der VDI2225 wurden dann systematisch mehrere Lösungen erarbeitet, wie es möglich wäre verschiedene Gelenke miteinander zu kombinieren, um zu einer zielgerichteten Lösung zu kommen.
Die hierbei erarbeiteten Lösungsvorschläge wurden dann mit Hilfe einer Nutzwertanalyse und vorher festgelegten Kriterien bewertet.
Das Konzept, welches hierbei das beste Ergebnis erzielte, wurde dann als Prototyp umgesetzt.
Die hierfür benötigten Teile wurden weitestgehend über das FDM Verfahren im 3D-Drucker selbst gefertigt. Mithilfe dieses Prototypen wurde dann ein Versuch durchgeführt, wobei nicht nur die Funktion, sondern auch der Komfort beurteilt wurde.
Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, es ist möglich das mechanische Schultergelenk auf diese Weise umzusetzen. Trotzdem gibt es am Ende dieser Arbeit weiterhin Punkte, die optimiert werden müssen.
Im Verbundprojekt LeviAktor (finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)) wird derzeit ein Exoskelett zur Schulter- und Armunterstützung
von Werkerinnen und Werkern im industriellen Umfeld erforscht. Das Tragen dieses Exoskelettes soll zum einen der Arbeitserleichterung dienen, zum anderen sollen dadurch Ermüdungserscheinungen durch körperliche Arbeiten sowie deren gesundheitliche Folgen, welche vorwiegend im Oberkörper auftreten, vorgebeugt werden. Die Hochschule Aalen übernimmt dabei die Erforschung der nötigen mechanischen Konstruktion. Hierzu gehören die Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine sowie ein Schultergestell, welches die menschliche Schulter mechanisch umschließt und stützt, ohne dabei die Bewegungsfreiheit einzuschränken. Für die Aktuierung des Systems ist ein Antriebskonzept zu entwickeln. Dieses besteht aus Antrieben, Getrieben, Kraftübertragungs- und Kraftumlekungsmitteln.
In bisherigen Arbeiten wurden unter anderem ein Schultergestell und eine Oberarmmanschette entwickelt. Diese berücksichtigten schwerpunktmäßig die allgemeine Funktionalität, die Modularität und die Standardisierung unter Rücksichtnahme auf eine individuelle Anpassbarkeit.
Diese Arbeit schließt an diesen Entwicklungen an und es wird eine Weiterentwicklung der Konzepte hinsichtlich Leichtbau und Serienfertigung vorgenommen.
Forming complex parts out of high and ultra-high strength aluminium alloys has proved to be more challenging in comparison to the currently used deep drawing steels. Nevertheless, aluminium alloys show a limited formability in contrast with, for example, deep drawing steels. Novel processes like Warm-forming, W-Temper or Hotforming, offer the potential to produce light and highly integrated one-piece components from such aluminium alloys at elevated temperatures. When considering aluminium alloys of the 7000 group, which can reach strength values (UTS) of about 600 MPa, crash components such as side impact bars would offer a suitable field of application.
Forming at elevated temperatures, in particular with the Hotforming process, offers high potential in the production of complex structural components on the one hand and in the use of existing press hardening equipment on the other. To date, the material behaviour of aluminium alloys in the 7000 group, applied in such processes and in the later final state after forming, is not sufficiently known.
Therefore, in this study, systematic investigations on the formability and the final strength during and after forming at elevated temperature of the EN AW-7075 aluminium wrought alloy from different suppliers are conducted. In general, material- and damage/ failure models were created and implemented into simulation in order to make predictions. Characterisation of the plastic material properties on the basis of various tensile specimens as shear-, notched-, tensile- and Erichsen tests are carried out to adapt the complex material- and failure models such as Barlat YLD2000 and GISSMO to the experimental values using a parameter optimisation. These were made for the material conditions during forming, i.e. after solution heat treatment, the final condition after artificial ageing at 180°C for 20 minutes, which corresponds to the cathodic dip coating, and the T6 condition, which is the highest strength condition.
To evaluate a suitable friction coefficient for high temperature forming processes, anti-friction agents are screened, and the potential applicability evaluated by strip-drawing tests. Thereby, using an analytical relationship, friction coefficients are determined at room temperature and 180°C, which are used as corresponding friction model for the finite element forming simulation.
Crash simulations using the nonlinear finite element method (FEM) of side impact protection beams are used to demonstrate the weight saving potential of high and ultra-high strength aluminium alloys compared to a beam made of press hardened steel. A weight saving of about 20 % could be achieved with the same crash performance. This can be significantly increased to around 30 % - 40 % by using local reinforcements such as CFRP or GFRP (carbon/ glass fibre reinforced plastic) patch. For this reason, a novel process was developed which is based on the conventional Hotforming process with an integrated thermal direct joining step called “Extended Hotforming”.
Subsequently, a heatable forming tool for the production of a serial like sheet metal side impact beam was developed to validate the finite element simulation and to demonstrate the potential of the forming processes at elevated temperatures for aluminium sheet metal components.
Die vorliegende Bachelorthesis widmet sich der Untersuchung und Entwicklung mög-licher modularer Sicherheitskupplungen für den Antriebstrang aktiver Exoskelette.
Basis der theoretischen Grundlagen bildet die Fachliteratur zu: Roloff/Matek Maschinenelemente. Die Struktur des Entwicklungsprozess dieser Arbeit, ist angelehnt an die Fachliteratur Konstruktionsmethodik und die VDI 2221.
Die Erkenntnisse der Literaturrecherche und Laborversuche bilden die Grundlage zur Beantwortung der zentralen Frage: Wie muss eine Sicherheitskupplung definiert und gestaltet werden um in ein aktives Exoskelett integrierbar zu sein?
Zusammengefasst ist das wichtigste Ergebnis, dass die Kombination aus Moment- und fremdbetätigten Kupplungen, ein vielversprechendes Lösungskonzept darstellt.