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Die Erfindung betrifft einen Baustein zum Aufbau einer elastischen Struktur, aufweisend eine Mehrzahl von mindestens drei aufeinanderfolgenden kettengliedartigen Einzelgliedern.
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Zum Aufbau von Greifern und bewegten Elementen sind aus der Bionik andere Grundelemente bekannt als diese aus der klassischen Mechanik bekannt sind. Statt gelagerten Achsen und sich drehbar gelagerten Elementen ist es aus der Beobachtung der Natur bekannt, flexible und starre Elemente in besonderer Anordnung zu kombinieren, um Bewegungen über gelenkgetriebeähnliche Strukturen ineinander zu überführen. Ein Beispiel hierfür sind flossen- oder flügelähnliche Strukturen, die auf eine Scherbewegung durch eine Flossen- oder Flügeldeformation reagieren, die durch die Formveränderung eine veränderte Anströmung erzeugen und so der Scherkraft entgegenwirken. Im Stand der Technik wird diese Technologie für Segelschiffe sowohl im Unterwasser- als auch im Oberwasserschiff verwendet. Im Fachjargon wird häufig der Begriff Fin Ray Prinzip® verwendet, um auf die allgemeine Strukturähnlichkeit solcher bionischen Bauelemente hinzuweisen.
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Die Bionik ist im Gegenteil zur Mechanik ein vergleichsweise junger Forschungs- und Technologiezweig. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfaches Bauelement zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Prinzipien der Bionik einfach aufbauen und studieren lassen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Verbindung zwischen den einzelnen Einzelgliedern eine geringere Rückstellkraft in Bezug auf eine Biegeelastizität (Schubmodul) aufweist als die Rückstellkraft in Bezug auf eine Zugelastizität (Elastizitätsmodul). Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
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Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass ein kettenähnliches Element eine geringere Rückstellkraft in Bezug auf eine Scher- oder Biegebeanspruchung aufweist als auf eine Zugbeanspruchung. Das Wesentliche an dem Bauteil ist, dass es eine gewisse Eigenstabilität aufweist, gleichwohl aber elastisch verformbar bleibt, wobei die elastische Verformbarkeit in drei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedlich ausgeprägt ist. Eine Kette weist drei Vorzugsrichtungen auf. Eine zur geraden Kettenlinie kollineare Richtung und zwei dazu senkrechte Richtungen. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Biegeelastizität in die beiden zur Kettenlinie senkrechten Richtungen unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Existieren also drei verschiedene Elastizitäten in drei verschiedene Raumrichtungen, so ist zwangsläufig eine der Elastizitäten am geringsten ausgeprägt und zwangsläufig eine andere Elastizität am höchsten ausgeprägt. Die höchste Elastizität mit dem größten Schubmodul weist das Bauelement senkrecht zu der zur geraden Kettenlinie senkrechten Richtung auf. Die geringste Elastizität weist das Bauelement in der zur geraden Kettenlinie kollinearen Richtung auf.
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Für einen vielseitigen Einsatz in einem Baukastensystem ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die Einzelglieder mindestens eine Vorrichtung, bevorzugt in Ausgestaltung einer Ausnehmung, aufweist zur Verbindung mit einem anderen starren Baustein oder einer anderen starren Achse. Die nach dem bionischen Prinzip aufgebauten Flossen- oder Flügelelemente können auch als Greifelemente oder als Hebelgetriebe eingesetzt werden. Um einen Greifer, eine flossenähnliche Struktur oder einen Hebelgetriebe in besonders einfacher Weise aufbauen zu können, werden Starrachsen oder starre Elemente als Verbindungselemente eingesetzt, welche das hier vorgestellte Bauelement zu einem in verschiedene Raumrichtungen unterschiedlich auf Scherbewegung reagierende Struktur werden zu lassen.
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Je nach Art und Weise der aufzubauenden Struktur kann es notwendig sein, in das elastische Bauelement ein Drehmoment zu übertragen oder davon abzuleiten. Dafür ist in dem Bauelement in vorteilhafter Weise die Ausnehmung quer zur Achse der Ausnehmung profiliert. Zur Aufnahme von einem weiteren starren Element kann das Bauelement eine einfache Ausnehmung in Form einer zylindrischen Bohrung aufweisen. Es ist aber auch möglich, eine von der Zylinderform abweichende Struktur in Form einer regelmäßigen oder unregelmäßigen polygonaler Struktur, eine Schlitzstruktur oder gar eine kreuzförmige Struktur vorzusehen, um ein Drehmoment sicher in das Bauteil zu übertragen oder davon abzuleiten.
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Für einen möglichst breiten Einsatz ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Abstand der einzelnen Einzelglieder etwa gleich groß ist wie die Größe eines Einzelglieds, gemessen als mittlerer Durchmesser. Dadurch die Anzahl der möglichen Verknüpfungspunkte mit weiteren, anderen Bauelemente besonders groß und daher flexibel gestaltbar.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelglieder ein starres Zentrum aufweisen. Diese, auch von der Erfindung umfasste Ausführungsform ist angedacht für solche Aufbauten, in denen ein besonders starkes Drehmoment auf das Bauteil ausgeübt oder von diesem abgeleitet werden soll. Typische Anwendungen für diese besondere Ausführungsform der Erfindung sind Aufbauten, in denen eine Sprunggelenkstruktur oder allgemein eine Struktur aufgebaut werden soll, in welcher die hohe Energie eines auf Zug belasteten Bauteils in ein Drehmoment, beispielsweise nach Art eines sich mit Kraft öffnenden Gelenks überführt, werden soll.
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Der Aufbau des erfindungsgemäßen Bauteils kann je nach bevorzugter Einsatzart sehr unterschiedlich sein. In einfacher Ausgestaltung der Erfindung ist eine einteilige Struktur aus einem einzigen Material vorgesehen. Das Bauteil kann durch Spritzguss hergestellt sein oder aus dem Vollmaterial geschnitten sein. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung besteht in dem Aufbau durch ein 3D-Druck-Verfahren. Um die elastischen Eigenschaften bei der Herstellung durch 3D-Druck kontrollieren zu können, wird dies am besten durch ein schichtweise Legen eines elastischen Filaments oder eines elastische Fadens erreicht, der thermoplastisch verformbar oder klebbar ist. Zum Aufbau werden dabei Grundkörper gelegt und diese sodann mit einem Faden aus identischem Material umwickelt. Es ist somit in Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens vorgesehen, dass eine mehrteilige Form vorgesehen ist, in welcher die Einzelglieder aus einem spulenkörperartigen Element bestehen, welches mit weiteren spulenartigen Elementen benachbart ist, wobei die einzelnen spulenartigen Elemente durch eine mäanderförmige Wicklung miteinander verbunden sind. Zum Aufbau durch 3D-Druck können dabei Filamente aus unterschiedlichem Material für die spulenartigen Grundkörper und der mäanderförmigen Wicklung verwendet werden oder es ist auch möglich, die gesamte Struktur aus ein- und demselben Filament ohne Unterbrechung des Materialflusses zu legen.
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Je nach erforderlicher Stabilität und Resistenz gegen Staub, Schmutz, Schweiß, und chemischen Subtanzen kann für das Bauteil vorgesehen sein, dass die Gesamtheit der Einzelglieder in einem Elastomer, in Silikon und/oder einem Kunstkautschuk vergossen ist.
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Für eine sichere Verbindung des Bauelements mit einem weiteren Element kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die Einzelelemente über ein Rastelement, eine elastische Lippe, eine Keilform und/oder ein Gewinde verfügen, über welche die Einzelelemente, bevorzugt mit einem weiteren, starren Baustein verbindbar sind.
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Um die elastischen Eigenschaften des Bauelements in die verschiedenen Raumrichtungen zu kontrollieren, kann vorgesehen sein, dass die Verbindung zweier Einzelelemente tailliert ist. Durch den Taillenschnitt oder durch die Taillierung kann die Elastizität in Bezug auf eine Scherbewegung kontrolliert werden.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 Eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bauteil,
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2 das Bauteil aus 1 in einer perspektivischen Ansicht,
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3 eine Skizze zur Verdeutlichung des bionischen Flossenprinzips,
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4 eine weitere Skizze zur Verdeutlichung der Verformungseigenschaften des Bauelements,
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5 eine Skizze zur Verdeutlichung des Aufbaus eines alternativen Aufbaus des erfindungsgemäßen Bauelements,
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6 eine zur 5 äquivalente Skizze mit perspektivischer Ansicht,
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7 eine Ausschnittsvergrößerung zur Verdeutlichung der inneren Strukturoptionen.
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In 1 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 dargestellt, welches mehrere Einzelglieder 4 in einer kettenähnlichen Struktur aufweist. Dabei sind die Einzelglieder 4 durch Verbindungen 5 miteinander verbunden. Die Art und der Aufbau der Kettenstruktur verleihen dem Bauteil 1 unterschiedliche Elastizitäten bzw. Rückstellkräfte in unterschiedliche Raumrichtungen. Damit das Bauelement mit weiteren, anderen Bauelementen eines Baukastensystems verbunden werden kann, weist das Bauelement 1 auch Vorrichtungen 6 zur Verbindung auf, welche im einfachsten Fall eine einfache Ausnehmung sein kann, um dort ein anderes formschlüssiges Bauteil einzustecken. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 6 zum Verbinden eine profilierte Ausnehmung ist und wie im gezeigten Beispiel die Form hat, die an ein Medaillenkreuz erinnert. Es sind weitere Formen der Vorrichtung 6 zum Verbinden denkbar, wie eine schlitzförmige Ausnehmung oder eine kreuzförmige Ausnehmung mit Lippen zur Erhöhung der Reibung. In 1 ist das in Richtung der linearen Kettenlinie wirkende Elastizitätsmodul E wie auch das zur linearen Kettenlinie senkrecht wirkende Schubmodul G dargestellt. Es ist vorgesehen, dass die Rückstellkraft in Richtung des Schubmoduls G deutlich geringer ist als die Rückstellkraft in Richtung des Elastizitätsmoduls E. Der in der Kette eingezeichnete, ovalförmige Ausschnitt A ist unterhalb der Kettenlinie als Ausschnittsvergrößerung A dargestellt. Die Einzelglieder 4 weisen einen mittleren Durchmesser 10 auf und einen wiederkehrenden Abstand 9. In bevorzugter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils ist vorgesehen, dass der mittlere Durchmesser 10 eines Einzelglieds 4 etwa so groß ist wie der wiederkehrende Abstand 9 zweier, benachbarter Einzelglieder 4. Die Verbindung 5 zwischen zwei Einzelgliedern 4 ist dabei eingeschnürt oder tailliert zumindest aber weist sie ein deutlich geringeres Materialumfangsvolumen auf als die Einzelglieder 4 selbst, wobei das Materialumfangsvolumen das Volumen der Ausnehmung 7 mit einschließt. Durch die Art und Form der Taillierung ist das unterschiedliche Elastizitätsverhältnis in den verschiedenen Raumrichtungen kobntrollierbar.
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In 2 ist das erfindungsgemäße Bauteil 1 aus 1 in einer perspektivischen Darstellung skizziert. Die Einzelglieder 4 weisen eine im wesentlichen zylindrische Außenform auf, die durch einen Steg als Verbindung 5 miteinander verbunden sind. Das Höhen-Breitenverhältnis eines Einzelglied 4 entspricht etwa einer kubischen Raumform, wobei die Breite geringfügig kleiner ist als die Höhe, um dem Steg als Verbindung 5 Raum zu geben. In der perspektivischen Skizze ist das Maß angegeben, welches dem Abstand 9 entspricht und die auf das Bauteil 1 bezogenen Raumrichtungen sind eingezeichnet. Dabei entspricht die eingangs erwähnte Richtung in der linearen Kettenlinie der Raumrichtung des Elastizitätsmoduls E, eine erste zur linearen Kettenlinie senkrechte Richtung ist die Richtung des Schubmoduls G und eine zweite zur linearen Kettenlinie senkrechte Richtung ist die Richtung des Schubmoduls G'. Es ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Rückstellkraft entlang des Elastizitätsmoduls E die höchste ist, gefolgt von der Rückstellkraft in Richtung des Schubmoduls G' und diese gefolgt von der Rückstellkraft des Schubmoduls G.
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Um den Effekt zu demonstrieren, der durch das erfindungsgemäße Bauteil erreichbar ist, ist in 3 ein Aufbau aus einem erfindungsgemäßen Bauteil 1 dargestellt, das hier zur Vereinfachung als Kugelkette dargestellt ist. Für diesen beispielhaften Aufbau sind zwei im wesentlichen identische Bauelemente 1 in einer Dreiecksform durch 4 Querstreben QS1, QS2, QS3 und QS4 miteinanderverbunden. Für den bionischen Flosseneffekt genügt es, dass eine seitliche Scherbeanspruchung, wie durch Richtungspfeil S angedeutet, die von unten angeströmte Flosse, wie durch den Richtungspfeil V angedeutet, verformt. In diesem bionischen Flosseneffekt wirkt die Verformung in Richtung des Pfeils V also als antagonistische Bewegung. Es ist mit dem bionischen Flossenprinzip nicht nur möglich, antagonistische Anströmungsbewegungen durchzuführen, sondern auch, sehr behutsame Greifvorrichtungen aufzubauen, wenn diese als zwei- oder mehrgliedrige Zange ausgebildet werden. Dabei bildet je eine hier als Flosse dargestellte Struktur ein Zangenglied, das ein zu greifendes Element, beispielsweise einen Apfel oder ein Ei um greift. Die Form des empfindlichen Objektes, der Apfel oder das Ei, führt zu einer behutsamen, aber durchaus festen Umschließung des gegriffenen Objektes, wodurch sich das erfindungsgemäße Bauteil auch dazu eignet, einen bionischen Robotergreifer aufzubauen.
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Die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Bauteils 1 wirken wie in 4 erläutert wird.
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In 4 ist dargestellt, wie sich das erfindungsgemäße Bauteil 1, hier repräsentiert durch drei Einzelelemente 4 bei einer Scherbeanspruchung verhält. Die Länge des Kettenauszuges drei Einzelelemente 4 erfährt durch die Art der Biegung der Stege als Verbindung 5 zwischen den Einzelelementen 4 eine scheinbare Verkürzung. Statt der vollständigen Bogenlänge BL, die der Länge L der drei Einzelglieder 4 entspricht, scheint sich bei einer Scherbeanspruchung die tatsächliche Bogenlänge BL' zu verkürzen. Dies kommt dadurch zustande, weil sich die Stege als Verbindungen 5 deutlich stärker krümmen als es der Verformung eines gleichmäßig geformten Bauelements entsprechen würde. Dadurch werden die Mittelpunkte der Einzelelemente, die selbst der Verformung kaum folgen, näher aneinander gerückt. Diese Verkürzung führt dazu, dass die Dreiecksform in 3 die eingezeichnete Stellung einnimmt, weil die in 3 auf der rechten Seite vorliegende Kettenlinie nicht die Verformung einnimmt, sondern ihre Gesamtlänge behält. Die einzige geometrische Ausweichform ist die in 3 eingezeichnete Form des verformten Dreiecks. Ein isotrop geformtes und isotrop elastisches Bauelement würde dazu führen, dass sowohl die in 3 linke Kette als auch die in 4 rechte Kette als eine seitliche Eindellung erfahren, so dass die Dreiecksform bis auf die seitliche Eindellung erhalten bliebe. Erst die anisotrope Verformbarkeit des Bauteils 1 führt zu dem bionischen Flossenprinzip.
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Das Bauteil 1 kann aus dem Vollen geschnitten, durch Laserablation erstellt oder in größerer Serie im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Für sehr besondere Anwendungen kann das Bauteil 1 aus verschiedenen Elementen, die aus demselben oder aus verschiedenen Materialien bestehen, gefertigt werden. Bei der Herstellung durch ein 3D-Druck-Verfahren kann vorgesehen sein, dass ein thermoplastisches Material mit elastischen Eigenschaften als Filament gelegt wird. Das Filament wird zu verschiedenen spulenförmigen Einzelelementen 4 gelegt und dabei thermoplastisch geringfügig unter Sinterung oder Verschmelzung verformt. Um die elastischen Eigenschaften durch das 3D-Druck-Verfahren zu kontrollieren, wird das Filament für den 3D-Druck in zwei mäanderförmigen Wicklungen 13 und 13' um die Einzelelemente 4 gelegt wie es in 5 dargestellt ist. Die Lage des 3D-Druck-Filaments als mäanderförmige Wicklung 13 und 13' wird in 6 perspektivisch gezeigt. Die Einzelelemente 4 weisen eine Ausnehmung 7 auf, hier in Form einer sternförmigen Aushöhlung und werden durch zwei gegenläufig, mäanderförmige Wicklungen umwickelt. Bei dem 3D-Druck-Verfahren verschmelzen die Filamente miteinander, so dass sich am Ende des Herstellungsverfahrens das Bauteil ergibt, wie es in 2 dargestellt ist. Da das Filament für den 3D-Druck als gerecktes Material vorbestimmte Elastizitäten in Filamentrichtung und Quer dazu aufweist, ist durch dieses Legen des Filaments gewährt, dass die vorbestimmten Eigenschaften des Filaments auch gezielt eingesetzt werden können.
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In 7 ist schließlich dargestellt, dass in der Ausnehmung 7 Lippen 14 zur Erhöhung der Reibung vorgesehen sein können, welche ein anderes Bauelement darin festhalten können. Auch ist ein optionales Gewinde 15 darin dargestellt, dass ähnlich den Gewindefragmenten eines an sich bekannten Gewindeschneiders ausgebildet ist. In der hier vorliegenden Form ist das Gewinde 15 aber nicht als schneidendes Gewinde, sondern als eine korrespondierende Schraube aufnehmendes Gewinde gedacht, um ein weiteres, anderes Bauelement darin zu befestigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Baustein
- 2
- elastische Struktur
- 4
- Einzelglied
- 5
- Verbindung
- 6
- Vorrichtung zur Verbindung
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Achse
- 9
- Abstand
- 10
- Durchmesser
- 11
- Zentrum
- 12
- spulenkörperartiges Element
- 13
- Wicklung
- 13'
- Wicklung
- 14
- Lippe
- 15
- Gewinde
- A
- Ausschnitt
- BL
- Bogenlänge
- BL'
- scheinbare Bogenlänge
- L
- Länge, Abstand
- QS1
- Querstrebe
- QS2
- Querstrebe
- QS3
- Querstrebe
- QS4
- Querstrebe
- S
- Scherkraftrichtung
- V
- Verformungsrichtung
