Die Bionik, die Disziplin, die von biologischen Systemen inspirierte Technologien entwickelt, macht wichtige Fortschritte, von neural gesteuerten Prothesen über Exoskelette bis zu humanoiden Robotern. Diese Anwendungen stellen ingenieurtechnische Herausforderungen, die mit der Produktion leichter, widerstandsfähiger und geometrisch komplexer Komponenten verbunden sind.
Technologien wie der 3D-Druck, die CNC-Bearbeitung und das Laserschneiden ermöglichen es, auf diese Anforderungen zu reagieren, indem sie das Prototyping und die Entwicklung personalisierter Lösungen beschleunigen. Dieser Leitfaden analysiert ihre Anwendungen in der Bionik und in der humanoiden Robotik, mit besonderer Aufmerksamkeit für die Produktion struktureller und funktionaler Komponenten.
Die Bionik (aus der Verbindung von „Biologie“ und „Elektronik“) untersucht die biologischen Systeme, um ihre Prinzipien, wie die Effizienz der Gelenke und die Leichtigkeit der Knochen, in ingenieurtechnische Lösungen zu übersetzen. Heute ist sie die Grundlage von Prothesen, Exoskeletten, biomedizinischen Geräten, humanoiden Robotern und Roboterhänden.
Diese Anwendungen teilen dieselben Produktionsanforderungen: komplexe Geometrien, die sich an die menschliche Anatomie anpassen oder ihre Bewegungen reproduzieren müssen, starke Personalisierung und reduzierte Volumina, oft Kleinserien oder Einzelstücke. Es ist in der Produktion der Komponenten, dass der 3D-Druck, die CNC-Bearbeitung und das Laserschneiden den Unterschied ausmachen, weil sie es ermöglichen, leichte, widerstandsfähige und maßgefertigte Teile ohne dedizierte Formen und mit schnellen Entwicklungszeiten zu realisieren.
Die humanoiden Roboter stellen eine der fortschrittlichsten Anwendungen der Bionik dar. Es sind Maschinen, die konzipiert wurden, um die Struktur und die Bewegungen des menschlichen Körpers zu reproduzieren, ausgestattet mit Beinen, Armen, gelenkigen Händen und Sensoren, die es ihnen ermöglichen, zu gehen, Objekte zu manipulieren und in für Menschen gedachten Umgebungen zu operieren.
Nach Jahren des Experimentierens gehen die humanoiden Roboter von den Laboren zu den ersten industriellen Anwendungen über. Technologie- und Automobilunternehmen entwickeln Systeme, die für Logistik, Produktion und Assistenz bestimmt sind. Diese Entwicklung erfordert strukturelle, gelenkige und schützende mechanische Komponenten, die in der Lage sind, Leichtigkeit, Festigkeit und Präzision zu kombinieren, mit immer kürzeren Entwicklungszeiten.
Ein konkretes Beispiel kommt aus Italien mit dem Fall Oversonic Robotics, einem Unternehmen aus der Brianza, das RoBee entwickelt hat, einen kognitiven humanoiden Roboter, der in der Industrie bereits eingesetzt wird, um Materialien zu bewegen und zu kontrollieren oder riskante Tätigkeiten auszuführen. Ein Projekt, das zeigt, wie die humanoide Robotik von den Laboren zu den Fabriken übergeht und neue Herausforderungen in der Produktion leichter, widerstandsfähiger und personalisierter Komponenten eröffnet.
Aus produktionstechnischer Sicht sind die Hauptherausforderungen:
Leichtigkeit: das Gewicht zu begrenzen, um den Energieverbrauch und die von den Aktuatoren geforderte Leistung zu reduzieren.
Komplexe Geometrien: Gelenke, anatomische Verkleidungen und optimierte Strukturen zu realisieren.
Integration: Aufnahmen für Motoren, Sensoren, Elektronik und Verkabelungen zu konstruieren.
Entwicklungsgeschwindigkeit: die Komponenten häufig zu modifizieren und zu perfektionieren.
Kleinserien: Prototypen und erste Testlose zu produzieren, ohne auf die Großserienproduktion zurückzugreifen.
Jede Komponente eines bionischen Systems oder eines humanoiden Roboters muss spezifische strukturelle, funktionale oder ästhetische Anforderungen erfüllen, die die Wahl des Produktionsprozesses bestimmen. Sehen wir, wie der 3D-Druck, die CNC-Bearbeitung und das Laserschneiden auf diese unterschiedlichen Anforderungen reagieren.
Der 3D-Druck ist dank der Möglichkeit, organische und komplexe Geometrien ohne den Rückgriff auf Formen oder dedizierte Werkzeuge zu realisieren, besonders für die Produktion bionischer Komponenten geeignet.
In der Bionik und in der humanoiden Robotik wird er verwendet, um zu produzieren:
Anatomische Schalen und Verkleidungen: Abdeckungen, die die Form von Prothesen, Exoskeletten und humanoiden Robotern definieren.
Optimierte tragende Strukturen: durch Topologieoptimierung erleichterte Rahmen, mit Gewichtsreduzierungen von 40 bis 70% im Vergleich zu den vollen Komponenten.
Aufnahmen für Motoren und Sensoren: Komponenten mit komplexen Geometrien, die mehrere Funktionen in einem einzigen Element integrieren.
Roboterhände und -finger: Strukturen mit internen Kavitäten für künstliche Sehnen, Verkabelungen und Bewegungsmechanismen.
Personalisierte anatomische Komponenten: Prothesenschäfte und Schnittstellen für Exoskelette, die auf die physischen Eigenschaften des Patienten konstruiert werden.
Funktionale Prototypen: Komponenten, die verwendet werden, um das Projekt in den verschiedenen Entwicklungsphasen zu verifizieren und zu perfektionieren.
Zu den am meisten im MJF-Druck verwendeten Materialien finden wir das PA12, für leichte und widerstandsfähige funktionale Komponenten, das PA11, dank der hohen Ermüdungsbeständigkeit besonders für Teile geeignet, die wiederholten Biegungen ausgesetzt sind, und das TPU, eingesetzt für flexible Elemente, Polsterungen und mit dem Körper in Kontakt stehende Schnittstellen. Im FDM-Druck verwendet man hingegen das PA12 CF, mit Kohlenstofffaser für eine größere Steifigkeit verstärkt, das ABS für den medizinischen Gebrauch und die Hochleistungspolymere, für strukturelle Komponenten und Anwendungen angezeigt, die den Ersatz von Metallteilen erfordern.
Die CNC-Bearbeitung ist angezeigt, wenn enge Toleranzen, präzise Oberflächen und mechanische Festigkeit benötigt werden, vor allem in den Gelenken und in den am stärksten beanspruchten strukturellen Komponenten der bionischen Systeme und der humanoiden Roboter.
In der Bionik und in der humanoiden Robotik ermöglicht das CNC, zu realisieren:
Präzisionsverbindungen und -gelenke, mit präzisen Paarungsoberflächen.
Sitze für Lager und Getriebe, essenziell für das korrekte Funktionieren der Aktuatoren.
Metallische Strukturkomponenten, konzipiert, um den mechanischen Beanspruchungen standzuhalten.
Wellen, Bolzen und Übertragungselemente, grundlegend für die Bewegung.
Gewindeteile, die die Montage ohne zusätzliche Einsätze ermöglichen.
Der Edelstahl (303, 304 und 316L) bietet mechanische und Korrosionsbeständigkeit. Der 316L findet insbesondere im medizinischen Bereich wegen seiner Biokompatibilität Verwendung, in den den vorgesehenen Anforderungen entsprechenden Formulierungen. Das Aluminium wird hingegen in den Strukturen der Humanoiden wegen der Leichtigkeit und des günstigen Verhältnisses zwischen Festigkeit und Gewicht bevorzugt.
Das Laserschneiden ermöglicht es, zweidimensionale Blechkomponenten zu realisieren, die Halterungen, Platten, Stützen und Strukturen eines bionischen Systems bilden.
In der Bionik und in den Humanoiden produziert das Laserschneiden:
Halterungen und Montageplatten, um Motoren, Sensoren und Strukturteile zu verbinden.
Rahmen und Grundstrukturen in Stahl oder Aluminium.
Stützen für die Elektronik und die Steuerungssysteme.
Geformte Blechkomponenten, auch zum Biegen, um dreidimensionale Geometrien zu erhalten.
Strukturelemente für Exoskelette, wie Verstärkungen und Stützen.
Der Edelstahl, der Kohlenstoffstahl und das Aluminium ermöglichen es, widerstandsfähige Komponenten zu erhalten, mit je nach Material variablem Gewicht und Kosten. Das Laserschneiden kann mit CNC-Bearbeitungen integriert werden, um Gewinde und Details zu realisieren, die engere Toleranzen erfordern.
Die Bionik und die humanoide Robotik sind Sektoren, die durch eine schnelle Entwicklung, Personalisierung und kleine Produktionslose gekennzeichnet sind. Die On-Demand-Fertigung reagiert auf diese Anforderungen, vom Prototyping bis zu den ersten Serien.
Schnelle Iteration. Roboterarme und Humanoide durchlaufen zahlreiche Konstruktionsrevisionen. Die bedarfsgerechte Produktion ermöglicht es, neue Versionen innerhalb weniger Tage statt Wochen zu realisieren und zu testen, indem man das CAD aktualisiert und die Entwicklung beschleunigt.
Personalisierung. Prothesen und Exoskelette müssen sich an die Morphologie des Nutzers anpassen. Ausgehend von digitalen Modellen, auch mittels 3D-Scan erhalten, ist es möglich, maßgefertigte Komponenten ohne dedizierte Formen zu realisieren.
Leichtigkeit. Die Topologieoptimierung und fortschrittliche Materialien wie mit Kohlenstofffaser verstärktes PEEK, ULTEM, PEEK und Aluminium ermöglichen es, das Gewicht zu reduzieren und dabei angemessene mechanische Leistungen zu erhalten, eine grundlegende Anforderung für tragbare Geräte und humanoide Roboter.
Produktion ohne Formen und in kleinen Losen. Vom Prototyp bis zu den ersten Serien ermöglicht die bedarfsgerechte Produktion, nur die notwendigen Mengen zu realisieren, und reduziert Anfangsinvestitionen, Bestände und mit den Mindestvolumina verbundene Beschränkungen.
Mehrere Technologien, ein einziger Lieferant. Ein bionisches System integriert in 3D gedruckte, CNC-bearbeitete und mit dem Laser geschnittene Komponenten. Dank einer 100% internen Produktion vereint Weerg diese Technologien in einem einzigen Bestellprozess, vom Hochladen der CAD-Datei bis zum Angebot, und vereinfacht die Entwicklung und die Beschaffung.
Die Bionik und die humanoiden Roboter verwandeln die Art, wie die Maschinen die Fähigkeiten des menschlichen Körpers nachahmen und verstärken, von den Prothesen, die die Bewegung wiederherstellen, bis zu den in den Fabriken eingesetzten anthropomorphen Robotern. Die Produktion ihrer Komponenten stützt sich auf drei Technologien: den 3D-Druck, um komplexe organische Formen zu realisieren, die CNC-Bearbeitung, um präzise Metallkomponenten zu erhalten, und das Laserschneiden, um flache Elemente zu produzieren.
Zusammen reagieren diese Technologien auf die Anforderungen des Sektors in Bezug auf Leichtigkeit, Komplexität, Personalisierung, Entwicklungsgeschwindigkeit und Produktion in Kleinserien. Mit dem Übergang der Bionik vom Labor zum Markt werden sie zu grundlegenden Werkzeugen, um die Maschinen der Zukunft zu realisieren.
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