So bauen Sie ein funktionsfähiges Exoskelett

Für Ingenieure mit Konstruktionsideen ist die Lücke zwischen Konzept und Ausführung der Punkt, an dem die meisten Ideen scheitern. Für unabhängige Konstrukteure und Maker ohne formale Schulung ist diese Kluft noch größer. Konstruktionsentscheidungen haben unmittelbare Konsequenzen: Gewicht, Kraft, Bewegung und Steuerbarkeit beeinflussen sich gegenseitig auf eine Art und Weise, die sich ohne einen strukturierten Konstruktionsprozess nur schwer vorhersagen lässt.

Tyler Csatari widmet sich mit großer Begeisterung genau diesem Spannungsfeld. Csatari ist Content Creator mit mehr als 4 Millionen Followern auf TikTok (3M+), Instagram (über 900.000) und Facebook (über 250.000) und konzentriert sich auf herausforderungsbasierte mechanische Konstruktions- und Fertigungsprojekte, bei denen er Systeme konstruiert und baut, an die er sich zuvor noch nie gewagt hat. Sein Ziel besteht nicht nur darin, das Erscheinungsbild nachzubilden, sondern auch funktionsfähige Systeme zu schaffen (von ihm als praktisches Cosplay bezeichnet), deren Mechanik wie vorgesehen funktioniert.

Csatari merkt an: „Ich mag Projekte, die sich schwierig anfühlen. Man lernt so viel dabei.“ Diese Herangehensweise, ohne vollumfängliches Wissen zu beginnen und sich Schritt für Schritt zur Lösung vorzuarbeiten, bildete die Grundlage für sein bislang komplexestes Projekt: ein Exoskelett.

Csataris Exoskelettkonstruktion erforderte vier unabhängig voneinander gesteuerte Arme, die sich fließend bewegen und dabei ihre strukturelle Integrität bewahren. Jeder Arm musste sich nach außen ausfahren lassen, sein eigenes Gewicht tragen und auf Eingaben reagieren, ohne unter Last einzuknicken. Csatari merkt an: „Die Herausforderung ist das Drehmoment. „Je weiter ein Arm ausgefahren wird, desto mehr Kraft muss die Basis aufnehmen.“

Die Entwicklung des Exoskeletts erforderte zudem eine tragbare Konstruktion. Motoren an jedem Gelenk hätten jedoch das Gewicht und die Komplexität erhöht und neue potenzielle Fehlerstellen geschaffen. Die Konstruktion musste daher Kraftübertragung, Gewichtsverteilung und Steuerbarkeit innerhalb einer beschränkten Bauform in Einklang bringen.

Csatari überwand diese Einschränkungen durch ein seilgetriebenes System, das vollständig in SOLIDWORKS Design® modelliert wurde. Anstatt an jedem Gelenk einen Motor anzubringen, führte er Kevlarseile durch eine Kette aus 3D-gedruckten Wirbelelementen, die mit auf einer Rückenplatte montierten Motoren verbunden waren.

Jeder Arm wird über drei einzeln gesteuerte Seile betätigt. Dies ermöglicht Bewegungen entlang mehrerer Achsen und sorgt gleichzeitig für eine Minimierung des Gewichts. Die auf Umlenkrollen basierende Architektur verteilt die Kräfte effizienter, reduziert die erforderliche Belastung an der Basis und erhält gleichzeitig den Bewegungsumfang. Flexibilität, kinematische Eigenschaften und Haltbarkeit mussten bei der Entwicklung dieses tragbaren Geräts und seiner Bestandteile berücksichtigt werden.

Csatari hat jede Komponente vor dem Drucken digital modelliert, darunter Gelenkgeometrien, Lagerschnittstellen und Befestigungsstrukturen. Dadurch konnte er das Bewegungsverhalten und die strukturellen Beziehungen vor der Fertigung verfeinern.

Csatari bevorzugt SOLIDWORKS aus mehreren Gründen: „Es war besser zugänglich. Man konnte offline aber auch online arbeiten. „Man hat so viele verschiedene Werkzeuge zur Verfügung, dass es einfach die richtige Wahl zu sein schien.“

Außerdem schwärmt er: „Die Fähigkeit [von SOLIDWORKS], eine Form dessen zu erschaffen, was man sich in seinem Kopf vorstellen kann, ist der schnellste Weg von der Ideenfindung bis zum tatsächlichen Ergebnis dessen, was man möchte.“

Vom Konzept zum Arbeitssystem

Die Verwendung von SOLIDWORKS ermöglichte es Csatari, einen disziplinierten Arbeitsablauf aufrechtzuerhalten, bei dem die Konstruktionsentscheidungen bei der Entwicklung des Exoskeletts eher digital und nicht physisch getroffen wurden. Anstatt zahlreiche Prototypen zu überarbeiten, hat Csatari Strukturkonzepte, Bewegungsabläufe und die Beziehungen zwischen Komponenten im CAD-Modell validiert, bevor er mit der physischen Umsetzung begann.

Csatari fügt hinzu: „Ich begann [mit dem Exoskelettprojekt], als ich SOLIDWORKS allmählich wirklich gut beherrschte. Ich habe viele Funktionen entdeckt, die die Konstruktion 10-mal schneller und 10-mal einfacher machen.“

Dieser Ansatz hat während des gesamten Konstruktionsprozesses Nacharbeiten reduziert und es ihm ermöglicht, die Komplexität des Systems mit seinen zahlreichen zusammenwirkenden Mechanismen und Subsystemen zu beherrschen. Insbesondere die seilgetriebene Konstruktion zeigt, wie die Modellierung zu der nicht unmittelbar naheliegenden Lösung führte, kontrollierte Bewegungen ohne übermäßig viele Bauteile in der fertigen mechanischen Konstruktion zu ermöglichen.

Der Workflow hat auch die Entwicklung beschleunigt. Csatari weist darauf hin, dass dank SOLIDWORKS Konstruktionen, die sich früher überwältigend angefühlt haben, nach der Modellierung schnell ausgeführt werden konnten. Das Modell selbst wurde zum Grundstein des Projekts und hat die Geometrie, das Verhalten und die Montagelogik definiert, bevor ein Teil materiell hergestellt wurde.

Stiftung für digitales Design

Csataris Projekt zeigt, dass die Umsetzung deutlich besser planbar wird, wenn Konstruktionsprobleme frühzeitig digital gelöst werden. SOLIDWORKS unterstützt diesen Wandel, indem Konstrukteure und Maker komplexe mechanische Systeme vor Beginn der Fertigung definieren, testen und optimieren können.

Der virtuelle Prototyp in SOLIDWORKS ermöglicht es Anwendern, Konstruktionsalternativen rasch zu untersuchen sowie gute und schlechte Ideen schneller zu erkennen, was die Innovation beschleunigt. Funktionen wie die Interferenzprüfung und die Fähigkeit, Bewegungen zu simulieren, um Kollisionen zu vermeiden, haben Csatari dabei unterstützt, seine Ideen schneller und effizienter in die Tat umzusetzen.

SOLIDWORKS kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Ihre Ideen bereits bei der ersten Umsetzung zu funktionsfähiger und ansprechender Hardware werden.