Maschinenbau und Werkstofftechnik
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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.
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.
The surface topography of biodegradable polymer foils is modified by mechanical imprinting on a submillimeter length scale. The created patterns strongly influence the wetting behavior and allow the preparation of hydrophobic surfaces with controlled solid-liquid interaction. A detailed analysis of anisotropic surface patterns reveals that the observed effect arises from a combination of topographical and compositional changes that are introduced to the surface. As a main result it is found that an individual combination of material and structure is required for the production of water-repellent biopolymer foils that are highly attractive for packaging applications.
Laser melting manufacturing of large elements of lunar regolith simulant for paving on the Moon
(2023)
The next steps for the expansion of the human presence in the solar system will be taken on the Moon. However, due to the low lunar gravity, the suspended dust generated when lunar rovers move across the lunar soil is a significant risk for lunar missions as it can affect the systems of the exploration vehicles. One solution to mitigate this problem is the construction of roads and landing pads on the Moon. In addition, to increase the sustainability of future lunar missions, in-situ resource utilization (ISRU) techniques must be developed. In this paper, the use of concentrated light for paving on the Moon by melting the lunar regolith is investigated. As a substitute of the concentrated sunlight, a high-power CO2 laser is used in the experiments. With this set-up, a maximum laser spot diameter of 100 mm can be achieved, which translates in high thicknesses of the consolidated layers. Furthermore, the lunar regolith simulant EAC-1A is used as a substitute of the actual lunar soil. At the end of the study, large samples (approximately 250 × 250 mm) with interlocking capabilities were fabricated by melting the lunar simulant with the laser directly on the powder bed. Large areas of lunar soil can be covered with these samples and serve as roads and landing pads, decreasing the propagation of lunar dust. These manufactured samples were analysed regarding their mineralogical composition, internal structure and mechanical properties.
Future lunar exploration will be based on in-situ resource utilization (ISRU) techniques. The most abundant raw material on the Moon is lunar regolith, which, however, is very scarce on Earth, making the study of simulants a necessity. The objective of this study is to characterize and investigate the sintering behavior of EAC-1A lunar regolith simulant. The characterization of the simulant included the determination of the phase assemblage, characteristic temperatures determination and water content analysis. The results are discussed in the context of sintering experiments of EAC-1A simulant, which showed that the material can be sintered to a relative density close to 90%, but only within a very narrow range of temperatures (20–30 °C). Sintering experiments were performed for sieved and unsieved, as well as for dried and non-dried specimens of EAC-1A. In addition, an analysis of the densification and mechanical properties of the sintered specimens was done. The sintering experiments at different temperatures showed that the finest fraction of sieved simulant can reach a higher maximum sintering temperature, and consequently a higher densification and biaxial strength. The non-dried powder exhibited higher densification and biaxial strength after sintering compared to the dried specimen. This difference was explained with a higher green density of the non-dried powder during pressing, rather than due to an actual influence on the sintering mechanism. Nevertheless, drying the powder prior to sintering is important to avoid the overestimation of the strength of specimens to be fabricated on the Moon.