Come costruire un esoscheletro funzionale

Per gli ingegneri con idee di progettazione, il divario tra concept ed esecuzione è il punto in cui la maggior parte delle idee fallisce. Per costruttori indipendenti e creatori senza formazione formale, questo divario è ancora più ampio. Le decisioni di progettazione comportano conseguenze immediate: peso, forza, movimento e controllabilità interagiscono in modi difficili da prevedere senza un processo di progettazione strutturato.

Tyler Csatari ama lavorare in quel divario. Csatari, un content creator con oltre 4 milioni di follower su TikTok (più di 3 milioni), Instagram (più di 900.000) e Facebook (più di 250.000), si concentra sulla fabbricazione meccanica o sulla progettazione e realizzazione di sistemi che non ha mai provato prima. Il suo obiettivo, oltre a replicare le apparenze, è creare sistemi funzionali, quello che chiama cosplay pratico, dove la meccanica funziona come previsto.

Csatari osserva: "Mi piacciono i progetti che sembrano particolarmente impegnativi. C'è così tanto da imparare". Questa mentalità di iniziare senza una conoscenza completa e anticipare i problemi ha creato le basi per la sua costruzione più complessa: un esoscheletro.

Il progetto di esoscheletro di Csatari richiedeva quattro bracci controllati in modo indipendente che si muovessero fluidamente mantenendo al contempo l'integrità strutturale. Ciascun braccio doveva estendersi verso l'esterno, trasportare il proprio peso e reagire agli input senza collassare sotto il carico. Csatari nota: "La sfida è la coppia. Più un braccio si estende, maggiore è la forza necessaria alla base per sostenerlo".

Lo sviluppo dell'esoscheletro richiedeva anche che fosse indossabile, ma i motori in ogni articolazione aumentavano il peso e la complessità, creando nuovi punti di guasto. Pertanto, la progettazione aveva bisogno di bilanciare la trasmissione della forza, la distribuzione del peso e la controllabilità all'interno di un fattore di forma limitato.

Csatari ha affrontato questi vincoli attraverso un sistema guidato da cavi modellato interamente in SOLIDWORKS Design®. Ha fatto passare i cavi in Kevlar attraverso una catena di vertebre stampate in 3D, collegate ai motori montati su una piastra posteriore, invece di posizionare i motori in corrispondenza di ogni giunto.

Ogni braccio funziona su tre cavi controllati, consentendo il movimento multiasse e riducendo al minimo il peso. L'architettura basata su pulegge distribuisce la forza in modo più efficiente, riducendo il carico necessario alla base, mantenendo al contempo il range di movimento. Per questo dispositivo indossabile e le sue parti dovevano essere presi in considerazione flessione, cinematica e durabilità.

Csatari ha modellato digitalmente ciascun componente prima della stampa, incluse le geometrie delle cerniere, le interfacce dei cuscinetti e le strutture di montaggio. Ciò gli ha consentito di perfezionare il comportamento del movimento e le relazioni strutturali prima della fabbricazione.

Csatari preferisce SOLIDWORKS per diversi motivi: "Era più accessibile. Puoi lavorare offline e online. Ci sono così tanti strumenti diversi, quindi sembrava la soluzione giusta".

Afferma anche: "La capacità [di SOLIDWORKS] di modellare ciò che immagini nella tua testa è il percorso più rapido dall'ideazione al risultato effettivo di ciò che si desidera".

Dal concept al sistema funzionante

L'uso di SOLIDWORKS ha consentito a Csatari di mantenere un flusso di lavoro disciplinato in cui le decisioni di progettazione nello sviluppo dell'esoscheletro sono state risolte in modo digitale anziché fisico. Invece di iterare numerosi prototipi, Csatari ha convalidato i concept strutturali, i percorsi di movimento e le relazioni dei componenti nel modello CAD prima di procedere alle build fisiche.

Csatari aggiunge: "Ho iniziato [il progetto dell'esoscheletro] quando ho imparato a usare bene SOLIDWORKS. Ho scoperto molte funzionalità che rendono la progettazione 10 volte più veloce, 10 volte più facile".

Questo approccio durante l'intero processo di progettazione ha ridotto le rilavorazioni e gli ha permesso di gestire la complessità del sistema tra più meccanismi di interazione e sottosistemi. Il design con azionamento a cavo dimostra in particolare come la modellazione abbia portato alla soluzione non ovvia di ottenere un movimento controllato senza hardware eccessivo nella struttura meccanica finale.

Il flusso di lavoro ha anche accelerato lo sviluppo. Csatari sottolinea che grazie a SOLIDWORKS, i progetti che prima sembravano insormontabili ora possono essere eseguiti rapidamente dopo essere stati modellati. Il modello è diventato la base del progetto, stabilendo la geometria, il comportamento e la logica di assemblaggio prima che qualsiasi parte venisse prodotta materialmente.

Le basi della progettazione digitale

Il progetto di Csatari dimostra che quando i problemi di progettazione vengono risolti digitalmente in fase di progettazione, l'esecuzione diventa molto più prevedibile ed efficiente. SOLIDWORKS supporta questo cambiamento consentendo a costruttori e creatori di definire, testare e perfezionare sistemi meccanici complessi prima di iniziare la fabbricazione.

Il prototipo virtuale di SOLIDWORKS consente agli utenti di esaminare rapidamente le diverse opzioni di progettazione e riconoscere più velocemente le idee valide da quelle meno valide, accelerando così il processo di innovazione. Funzioni come il controllo delle interferenze e la possibilità di simulare il movimento per evitare collisioni hanno aiutato Csatari a trasformare le sue idee in realtà in modo più rapido ed efficiente.

SOLIDWORKS può migliorare la probabilità che le idee si traducano in hardware funzionale e desiderabile nella prima build.