Das Gelenkgehäuse eines Exoskeletts besteht üblicherweise aus mehreren Hauptkomponenten: dem Hauptgehäuse, Lagersitzen, Aktuator- und Motorhalterungen, Sensorhalterungen, Dichtungs- und Befestigungselementen sowie Verbindungsstellen für die Schraubverbindungen. Dieses äußere Gehäuse beherbergt Aktuatoren, Motoren und Getriebesysteme und übernimmt die Lastübertragung und Bewegungssteuerung. Der globale Markt für Exoskelette wird voraussichtlich von 850 Millionen US-Dollar im Jahr 2025 auf 2.2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen. Daher haben die Präzision und die verwendeten Materialien direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit dieser Teile. Der Fertigungsprozess, die Präzisionsanforderungen und die Materialauswahl für jede Komponente sind entscheidend für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit, die in modernen Exoskeletten erforderlich sind. Das Verständnis dieser Faktoren ist der Schlüssel zur Herstellung leistungsfähiger Gelenke.
Hauptgehäuse in einem Exoskelett-Gelenkgehäuse
Das Hauptgehäuse bildet die tragende Struktur des Exoskelett-Gelenkgehäuses. Es umschließt Aktor, Motor und Getriebe und trägt somit die Hauptlast des Gelenks. Man kann es sich wie das Skelett eines Skeletts vorstellen. Verformt sich dieses Gehäuse, gerät das gesamte Gelenk aus der Ausrichtung, und die Verschleißteile im Inneren werden dadurch beschädigt.
Herstellungsprozesse für die Hauptschale
CNC-Bearbeitung aus dem Rohling
Die CNC-Bearbeitung von Rohlingen ist die erste Wahl für hochpräzise Gehäuse. Ein massiver Block aus AL6061-T6-Aluminium wird in die endgültige Form gebracht. Diese Legierung findet häufig Verwendung im Bereich der Exoskelett-Gehäuse, da sie sich sauber bearbeiten lässt und enge Toleranzen einhält. Der Arbeitsablauf folgt üblicherweise einer festgelegten Reihenfolge:
- Wählen Sie das Material – AL6061-T6 Aluminium ist ein gängiger Ausgangspunkt für Exoskelett-Gehäuseanwendungen.
- Die Maßtoleranzen müssen während der Bearbeitung, insbesondere an Befestigungspunkten und Schnittstellen zu anderen Modulen, kontrolliert werden, damit bei der Montage alles passgenau ist.
- Die strukturelle Integrität dünnwandiger Bereiche und komplexer Bauteile muss erhalten bleiben, um Verformungen oder Schwächungen zu vermeiden.
- Oberflächenbearbeitung – Reinigen Sie das Teil zunächst, sandstrahlen Sie es anschließend und eloxieren Sie es. Durch das Sandstrahlen werden Werkzeugspuren und Stufenmarkierungen entfernt, was für eine matte, gleichmäßige Optik sorgt. Die Eloxierung erhöht die Korrosionsbeständigkeit, schafft eine harte, kratzfeste Oberfläche und verbessert das Erscheinungsbild.
Druckguss und Feinguss
Für die Hauptschale werden auch Druckguss und Feinguss eingesetzt. Druckguss eignet sich gut für größere Stückzahlen, bei denen die Kosten pro Teil eine Rolle spielen. Feinguss ermöglicht die Bearbeitung komplexer Innengeometrien. Beide Verfahren verkürzen die Bearbeitungszeit, gehen jedoch auf Kosten der Präzision im Vergleich zur Bearbeitung von Rohlingen.
Additive Fertigung für Prototypen
Additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, spielt ihre Stärken besonders bei der Prototypenentwicklung aus. Durch den Druck können Ingenieure Passform und Form testen, bevor sie Werkzeuge anfertigen lassen. Man kann beispielsweise über Nacht ein Gehäuse drucken, es an einem Prüfstand befestigen und am nächsten Morgen bereits erste Erkenntnisse gewinnen. Der Nachteil liegt auf der Hand: Der Druck bietet zwar Geschwindigkeit und geometrische Freiheit, die mechanischen Eigenschaften gedruckter Teile erreichen jedoch in der Regel nicht die von Schmiedemetall.
Präzisionsanforderungen an das Hauptgehäuse
Maß- und geometrische Toleranzen
Präzision beginnt an den Schnittstellen. Schraubenlöcher, Lagerbohrungen und Modul-Passflächen erfordern höchste Genauigkeit. Eine zu große Toleranz an einer Schnittstelle wirkt sich auf die gesamte Baugruppe aus. Geometrische Toleranzen umfassen Ebenheit, Rechtwinkligkeit und Position; diese Vorgaben verhindern ein Verziehen des Gehäuses.
Spezifikationen zur Oberflächenbeschaffenheit
Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst die Dauerfestigkeit und die Dichtungsleistung. Raue Oberflächen erzeugen Kerbwirkungen, an denen Risse entstehen. Sie führen außerdem zu Verschleiß von O-Ringen und Dichtungen. Sandstrahlen und Anodisieren verbessern die Oberfläche, die darunterliegende maschinell bearbeitete Oberfläche bleibt jedoch der maßgebliche Standard.
Materialien für die Haupthülle
Die Materialwahl beeinflusst Gewicht, Kosten und Haltbarkeit. Hier ein Vergleich der gängigen Optionen:
| Material | Schlüsseleigenschaften | Typische Anwendungen |
| Aluminiumlegierung | Kostengünstig, leicht zu bearbeiten, gute Oberflächengüte, geeignet für große Stückzahlen | Massenproduzierte Gehäuse, kostensensible Teile |
| Titanlegierung | Hochtemperaturbeständig, biokompatibel, korrosionsbeständig | Korrosive oder Hochtemperaturumgebungen |
| Kohlenstofffaserverstärktes Polymer | Bestes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, nahezu keine Wärmeausdehnung, hohe Steifigkeit | Gehäuse für Präzisionsinstrumente, Hochleistungsrahmen |
Aluminiumlegierungen 6061 und 7075
Die Aluminiumlegierungen 6061 und 7075 bilden die Basis für die meisten Gehäuse. Die Sorte 6061 lässt sich gut schweißen und bearbeiten. Die Sorte 7075 bietet eine höhere Festigkeit, ist aber teurer und schwieriger zu bearbeiten. Bei kostensensibler Serienfertigung ist Aluminium die bessere Wahl.
Titanlegierung Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V ist hitze- und korrosionsbeständiger als Aluminium. Es ist zudem biokompatibel, was für medizinische Exoskelette wichtig ist. Nachteile sind der Preis und die aufwendige Bearbeitung.
Kohlenstofffaserverstärkte Polymere
CFK bietet das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht innerhalb dieser Gruppe. Es weist zudem eine nahezu nicht vorhandene Wärmeausdehnung und eine hohe Steifigkeit auf. Präzisionsgehäuse für Optik und Messtechnik werden genau aus diesen Gründen verwendet. Der Anschaffungspreis ist zwar am höchsten, die Wartungskosten bleiben jedoch niedrig.
Kein einzelnes Material ist in allen Situationen optimal. Die richtige Wahl hängt von den Betriebsbedingungen, dem Volumen und dem Budget ab. Ingenieure führen häufig FEM-Analysen durch, um Spannungspfade verschiedener Konstruktionsvorschläge zu vergleichen. FEM-Analysen bestätigen auch, ob eine Schale die erforderlichen Festigkeitsanforderungen erfüllt, bevor Metall bearbeitet wird. Leichtere Materialien wie ABS werden häufiger für Prototypenhalterungen als für tragende Schalen verwendet, da ihre Festigkeit nicht mit der von Metall mithalten kann. Aus praktischer Sicht sind Fertigungsverfahren und Materialwahl eng miteinander verknüpft – sie lassen sich nicht voneinander trennen.
Lagersitze und Bohrungen in einem Exoskelett-Gelenkgehäuse
Lagersitze und -bohrungen bilden das Herzstück jedes Exoskelett-Gelenkgehäuses. Sie halten die Lager, die für die reibungslose Drehung des Gelenks sorgen. Sind diese Sitze nicht korrekt, verschwendet das Gelenk Energie und verschleißt schnell. Die Passung zwischen Bohrung und Lager beeinflusst die Gelenkeffizienz und Verschleißfestigkeit. Eine zu lockere Bohrung lässt das Lager durchdrehen. Eine zu enge Bohrung quetscht den Lagerring. In beiden Fällen versagt das Gelenk.
Fertigungsprozesse für Lagersitze
Präzisionsbohren und -reiben
Präzisionsbohren bohrt die Bohrung auf ein sehr enges Maß. Ein Einpunktwerkzeug rotiert im Bohrloch und trägt Material ab. Der Bediener kann den Schnitt in kleinsten Schritten anpassen. Diese präzise Steuerung macht das Bohren ideal für Arbeiten mit engen Toleranzen. Nach dem Bohren folgt das Reiben, wenn die Bohrung eine glattere Oberfläche benötigt. Eine Mehrschneidreibahle entfernt eine dünne Materialschicht und hinterlässt eine saubere, runde Bohrung. Zusammen bilden diese beiden Schritte die Grundlage für einen optimalen Lagersitz.
Schleifen und Honen
Schleifen kommt zum Einsatz, wenn die Bohrung eine noch feinere Oberfläche benötigt. Eine Schleifscheibe rotiert über die Bohrungsoberfläche und trägt geringe Materialmengen ab. Das Ergebnis ist eine sehr glatte Oberfläche mit hoher Maßgenauigkeit. Honen geht noch einen Schritt weiter. Ein Honwerkzeug poliert die Bohrung mit Schleifsteinen und korrigiert kleinere Formfehler. Dieser Prozess verbessert Rundheit und Geradheit. Für ein Exoskelett-Gelenkgehäuse, das ständigen Bewegungen ausgesetzt ist, sind diese Schritte entscheidend. Sie reduzieren die Reibung und verlängern die Lagerlebensdauer.
Präzisionsanforderungen an Lagersitze
Bohrungsdurchmesser und Rundheit
Die Toleranz des Bohrungsdurchmessers bestimmt den Lagersitz. Zu viel Spiel führt zu Klappergeräuschen, zu wenig zu Blockieren. Die Rundheit verhindert Verformungen des Lagerrings unter Last. Eine unrunde Bohrung führt zu Druckstellen am Lager. Dieser ungleichmäßige Druck verursacht vorzeitigen Verschleiß. Die hier erforderliche Präzision zählt zu den höchsten im gesamten Gehäuse.
Koaxialität und Senkrechtigkeit
Koaxialität stellt sicher, dass zwei oder mehr Bohrungen die gleiche Mittellinie haben. Bei einer Verbindung mit Lagern auf beiden Seiten führt eine Fluchtungsabweichung zu einer Biegung der Welle. Diese Biegung belastet die Lager ungleichmäßig. Rechtwinkligkeit gewährleistet, dass die Bohrung rechtwinklig zur Montagefläche steht. Neigt sich die Bohrung, trägt das Lager eine axiale Last, für die es nicht ausgelegt ist. Beide Merkmale schützen Lager und Welle. Sie gewährleisten zudem einen präzisen Lauf der Verbindung über Tausende von Zyklen.
Werkstoffe für Lagersitze
Die Materialwahl für Lagersitze hängt von Belastung, Drehzahl und Schmierung ab. Hier ein Vergleich gängiger Optionen:
| Material | Eigenschaften | Maximale Betriebstemperatur |
| Reines PTFE | Hohe chemische Beständigkeit und Betriebseffizienz | 200 ℃ |
| HYPATITE® PTFE | Geringere Monomerpermeabilität und höhere Beständigkeit gegen Kompression und Kriechen als andere PTFE-Materialien | 260 ℃ / 270 ℃ |
| Kohlenstoffgefülltes PTFE | Ausgezeichnete Hitze- und Abriebbeständigkeit | 260 ℃ / 270 ℃ |
| FILLTITE® | Höchste Hitzebeständigkeit unter den PTFE-basierten Werkstoffen | 300 ℃ |
| Graphite | Hervorragend geeignet für den Einsatz bei hohen Temperaturen | 500 ℃ |
| Metall | Hervorragend geeignet für hohe Temperaturen und abrasive Anwendungen | 500 ℃ / 525 ℃ |
| PEEK | Höhere Hitzebeständigkeit und mechanische Festigkeit | 270 ℃ |
| Glasfaserverstärktes PTFE mit MoS2 | Höhere Abriebfestigkeit und Betriebseffizienz | 230 ℃ |
| Nylon mit MoS2 | Höhere mechanische Festigkeit | 140 ℃ |
Einsätze aus gehärtetem Stahl
Einsätze aus gehärtetem Stahl halten höchsten Belastungen stand. Sie sind verschleißfest und formstabil unter Druck. Bei der Fertigung eines Lagersitzes aus gehärtetem Stahl bleibt die Bohrung auch nach Millionen von Zyklen formstabil. Diese Einsätze werden in das Gehäuse eingepresst oder verschraubt. Dadurch kann das Gehäusematerial leichter und kostengünstiger sein. Diese geteilte Konstruktion spart Gewicht, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen.
Bronze- und Messinglegierungen
Bronze- und Messinglegierungen bieten gute Lagereigenschaften und eignen sich hervorragend für bewegliche Kontakte. Buchsen, Hülsen, Verschleißplatten und Gleitteile werden häufig aus diesen Werkstoffen gefertigt. Bronze C93200 ist eine gängige Wahl für solche Anwendungen. Sie zeichnet sich durch gute Lagereigenschaften und eine gute Belastbarkeit bei beweglichen Kontakten aus. In manchen Umgebungen sind diese Legierungen zudem korrosionsbeständiger als Stahl. Sie sind kostengünstiger als gehärteter Stahl und lassen sich gut bearbeiten.
Technische Kunststoffe PEEK und PTFE
PEEK und seine gefüllten Compounds, insbesondere solche mit PTFE-, Kohlenstofffaser- oder Bronze-Füllstoffen, zeichnen sich durch geringe Reibung und hohe Verschleißfestigkeit aus. Sie benötigen keine Schmierung, wie sie bei Metall-auf-Metall-Kontakt erforderlich ist. Daher wird PEEK häufig als Ersatz für Bronze, Messing und gehärteten Stahl in Buchsen, Lagern, Zahnrädern und Verschleißplatten eingesetzt. Es eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen Schmierung unpraktisch oder verboten ist oder Kontaminationsrisiken birgt. Lagertaugliche PEEK-Compounds mit PTFE- und Graphit- oder Kohlenstofffaserfüllung laufen trocken an Metallwellen. Ihre Reibungs- und Verschleißeigenschaften sind mit denen von Bronzebuchsen vergleichbar. Zudem vermeiden sie die Korrosions- und Schmierstoffspeicherprobleme von Bronze in Umgebungen mit häufigen Reinigungs- oder Chemikalienkontakten. Dies ist insbesondere für Exoskelett-Gelenkgehäuse in Reinräumen oder medizinischen Einrichtungen von großer Bedeutung. Die mechanischen Eigenschaften von PEEK bleiben auch bei wiederholter Bewegung erhalten. PTFE bietet eine noch geringere Reibung, jedoch eine geringere Festigkeit. Ingenieure kombinieren daher häufig beide Materialien, um ein optimales Leistungsverhältnis zu erzielen.
Aus praktischer Sicht bestimmt der Lagersitz die Eigenschaften des Gelenks. Ein gut gefertigter Sitz aus dem richtigen Material sorgt jahrelang für einen reibungslosen Lauf des Exoskelett-Gelenkgehäuses. Ein minderwertiger Sitz versagt frühzeitig und reißt das Lager mit. Das Lager im Inneren ist für die Ausrichtung und Abstützung auf diesen Sitz angewiesen. Stimmt die Bohrung, erfüllen die Lager ihre Funktion. Stimmt sie nicht, kann auch größte Präzision an anderer Stelle das Gelenk nicht retten. Dasselbe gilt für jedes Lager in der Baugruppe. Jedes benötigt einen Sitz, der seinen Toleranzen und seinem Belastungsprofil entspricht. Deshalb verdient die Bearbeitung des Lagersitzes genauso viel Aufmerksamkeit wie die des Hauptgehäuses.
Aktuator- und Motorhalterungen in einem Exoskelett-Gelenkgehäuse
Die Gelenke von Exoskeletten für die unteren Extremitäten sind mit verschiedenen Motortypen ausgestattet, die im Gelenkgehäuse des Exoskeletts verbaut werden. Rahmenlose BLDC-Motoren finden sich in Ellbogen-, Knie- und Handgelenksgelenken. Ingenieure verwenden außerdem Motoren mit Getriebeuntersetzung, Motoren mit Bowdenzügen, pneumatische Aktuatoren und serielle elastische Aktuatoren. Planetengetriebemotoren mit hohem Drehmoment, Quasi-Direktantriebe und Getriebe mit hoher Übersetzung und Harmonic-Mechanismen vervollständigen das Spektrum. Jeder Aktuatortyp benötigt eine Halterung, die den Rotor exakt mit dem Antriebsstrang ausrichtet. Eine nicht ausgerichtete Halterung führt zu Energieverlust und schnellem Verschleiß.
Fertigungsprozesse für Aktuatorhalterungen
CNC-Fräsen und -Bohren
Die Aktuatorplatten werden per CNC-Bearbeitung gefertigt. Vier separate Platten werden CNC-gefräst. Die Motor-Getriebe-Kupplung aus Stahl wird auf der Drehmaschine gedreht und plangefräst, anschließend auf der Fräsmaschine gebohrt und angesenkt. Die Encoderwelle durchläuft die gleichen Bearbeitungsschritte – sie wird auf der Drehmaschine abgedreht und auf der Fräsmaschine gebohrt. Die Kupplungen für Aktuatorbein und Gestänge bestehen aus Aluminium, werden auf der Drehmaschine gedreht und auf der Fräsmaschine gebohrt. Diese Bearbeitungsschritte gewährleisten die Ausrichtung der Schraubenlöcher mit der Bohrungsmitte.
Blechbearbeitung und Schweißen
Blechkonstruktionen senken die Kosten für Rahmenteile, die keine hohen Lasten tragen. Die meisten Teile bestehen aus dünnem Aluminiumblech. Die Bearbeitung beschränkt sich im Wesentlichen auf das Schneiden oder Bohren des Blechs. Für die kritische Encoderwelle eignet sich am besten eine Drehbank. Hochauflösender 3D-Druck ist ebenfalls für Prototypen geeignet. Die Teile werden durch Schweißen zu einem Hilfsrahmen verbunden, der mit dem Gehäuse verschraubt wird.
Präzisionsanforderungen an Aktuatorhalterungen
Lochpositionstoleranz
Motorhalterungen erfordern eine präzise Positionierung der Bohrungen im Schraubenmuster. Die Einhaltung der Positionstoleranzen verhindert, dass die Schrauben den Motor aus der Mitte ziehen. Eine Koordinatenmessmaschine (KMM) oder eine Stiftprüfung stellt die korrekte Ausrichtung der Bohrungen sicher. Der Montageerfolg hängt von der Anwendung der geometrischen Produktspezifikation (GPS) auf diese Merkmale ab. Ebenheit, Rechtwinkligkeit und exakte Position müssen in Zeichnungen der Aktuatorhalterung stets angegeben werden. Fehlen diese Angaben, verursacht die Halterung von Anfang an Vibrationen.
Ebenheit und Winkelausrichtung
Die Planheit der Montagefläche verhindert ein Kippen des Motors. Die Pilotbohrung und das Schraubenmuster werden anhand derselben Bezugsfläche geprüft. Diese Prüfung erkennt ein mögliches Kippen, bevor der Motor festgeschraubt wird.
Die Position der Bohrungen allein garantiert keine präzise Winkelausrichtung. Ein kleiner Fehler in der Rechtwinkligkeit an der Basis der Halterung führt zu einer größeren Abweichung in der Arbeitshöhe des Motors. Toleranzen für Rechtwinkligkeit und exakte Position, die mit funktionalen Bezugspunkten verknüpft sind, gewährleisten eine genaue Ausrichtung. Passstifte oder bearbeitete Führungszapfen bieten die erforderliche hohe Präzision. Spielbohrungen sind nicht in der Lage, die dynamischen Belastungen eines laufenden Motors aufzunehmen.
Materialien für Aktuatorhalterungen
Die Materialauswahl hängt von Last, Gewicht und Umgebungsbedingungen ab.
Edelstahl
Edelstahl bietet Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit. Er hält höheren Belastungen durch leistungsstarke Aktuatoren stand. Der Nachteil ist das höhere Gewicht. Für ein Gelenk der unteren Extremität, bei dem die Haltbarkeit wichtiger ist als das Gewicht, ist Edelstahl eine gute Wahl.
Aluminiumlegierungen
Aluminiumlegierungen bieten ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Gewicht. Sie lassen sich schnell bearbeiten und sind kostengünstiger als Edelstahl. Für Halterungen mit mittleren Lasten ist Aluminium Standard. Die gleichen Legierungen, die auch für das Hauptgehäuse verwendet werden – 6061 und 7075 – eignen sich auch hier. Ihre Eigenschaften sind auf den Lastbereich abgestimmt.
Glasgefülltes Nylon
Glasfaserverstärktes Nylon bietet gute mechanische Eigenschaften bei geringerem Gewicht als Metall. Es hält mittleren Belastungen stand und widersteht Kriechen unter wiederholter Beanspruchung. Das Material eignet sich hervorragend für leichtere Verbindungen, bei denen jedes Gramm zählt. Spritzguss ermöglicht eine schnelle Produktion.
Präzision ist für den Zusammenhalt der gesamten Halterung unerlässlich. Ein außermittiger Motor vibriert, verschleißt die Lager und erhöht den Energieverbrauch. Die Halterung muss dieselben Anforderungen erfüllen wie das Hauptgehäuse: Position halten, Belastungen standhalten und Tausende von Zyklen überstehen. Einige fortschrittliche Konstruktionen verwenden zusätzliche Platten, die mit dem Antriebsstrang verbunden sind, wodurch die Ausrichtung der Halterung noch wichtiger wird. Die Halterung muss die Achsen von Motor und Antriebsstrang fluchtend halten. Ingenieure führen FEM-Analysen der Halterungskonstruktion durch, um Spannungspfade zu überprüfen und die Steifigkeit zu bestätigen. Die Festigkeit der Halterung hängt vom Material, der Geometrie und der Art der Verbindung der Schweißnähte oder Befestigungselemente mit der restlichen Baugruppe ab. Diese Belastbarkeit entscheidet darüber, ob die Halterung auch unter extremen Bedingungen und nach Tausenden von Zyklen standhält.
Sensorhalterungen in einem Exoskelett-Gelenkgehäuse
Sensorhalterungen und Encoderbefestigungen im Gehäuse eines Exoskelett-Gelenks erfordern hohe Wiederholgenauigkeit und thermische Stabilität. Warum? Die Montagetoleranz bestimmt, wie viel der spezifizierten Encoderauflösung nach der Installation nutzbar bleibt. Ist die Montage nicht wiederholgenau, können niedrigere Auflösungsbits instabil werden. Ingenieure beheben dies dann durch Unterlegen von Distanzscheiben, Mikrojustierung, Neukalibrierung oder Filterung. Die thermische Stabilität ist ebenso wichtig. Unterschiedliche Materialien dehnen sich unterschiedlich stark aus, sodass sich das Messobjekt, der Stator, das Gehäuse oder die Welle relativ zueinander verschieben können. Selbst kleinste Bewegungen beeinträchtigen die Signalqualität. Dieses Problem tritt besonders häufig bei Hohlwellen-, Flachprofil- oder rahmenlosen Encoderkonstruktionen auf, bei denen das Rotor-Stator-Verhältnis vom mechanischen Aufbau abhängt. Ein bei Raumtemperatur ausgerichtetes System kann nach thermischer Ausdehnung, Änderungen der Lagervorspannung oder struktureller Verformung die korrekte Signalgeometrie verlieren.
Herstellungsprozesse für Sensorhalterungen
CNC-Bearbeitung für kleine Merkmale
Die CNC-Bearbeitung eignet sich ideal für die präzise Fertigung der kleinsten Details, die Sensorhalterungen benötigen. Kleine Vertiefungen, Schlitze und Befestigungslöcher erfordern scharfe Werkzeuge und leichte Schnitte. Ein Zerspanungsmechaniker kann diese Details ohne Spezialwerkzeug exakt positionieren. Für kleine und mittlere Stückzahlen bietet dieses Verfahren die höchste Präzision. Spannungsarm geglühtes Aluminium ist ein gängiges Ausgangsmaterial, da es nach der Bearbeitung formstabil bleibt.
Spritzguss für große Stückzahlen
Spritzgießen kommt bei größeren Produktionsmengen zum Einsatz. Eine Stahlform formt die Halterung in einem Arbeitsgang, und die Zykluszeiten sinken auf wenige Sekunden. Der Nachteil sind die anfänglichen Werkzeugkosten. Auch der 3D-Druck eignet sich für Prototypen, da Ingenieure so die Passform testen können, bevor sie sich für eine Form entscheiden. Bei großen Stückzahlen ist Spritzgießen aufgrund der geringeren Kosten pro Teil die kostengünstigste Lösung.
Präzisionsanforderungen an Sensorhalterungen
Die Positionierung der Befestigungslöcher muss präzise sein, um Wiederholgenauigkeit zu gewährleisten. Sensorausrichtung und Oberflächenebenheit müssen innerhalb enger Toleranzen kontrolliert werden, um die Signalqualität zu erhalten. Wiederholgenauigkeit der Abmessungen stellt sicher, dass die Montage nach Demontage und Wiedermontage konsistent bleibt. Thermische Stabilität sorgt dafür, dass der Sensor auch bei Erwärmung der Verbindung korrekt ausgerichtet bleibt. Eine Halterung, die sich bei Temperatur ausdehnt oder verdreht, verfälscht die Messwerte. Materialwahl und Geometrie spielen hierbei eine wichtige Rolle.
Materialien für Sensorhalterungen
Bei der Materialauswahl werden Gewicht, Festigkeit und Kosten optimal aufeinander abgestimmt. Gängige Optionen sind spannungsarm geglühtes Aluminium für Präzision und Stabilität sowie andere Metalle und Polymere für gewichtsoptimierte Anwendungen. Druckgusswerkstoffe wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen werden für leichte Metallteile verwendet. Spritzgusswerkstoffe umfassen technische Kunststoffe.
Aluminium- und Magnesiumlegierungen
Aluminium- und Magnesiumlegierungen bieten gute mechanische Eigenschaften bei geringem Gewicht. Magnesium ist leichter, korrodiert aber leichter. Aluminium bietet für die meisten Halterungen eine bessere Balance.
ABS und Polycarbonat
ABS und Polycarbonat eignen sich gut für Formhalterungen. ABS bietet eine gute Schlagfestigkeit zu geringen Kosten. Polycarbonat sorgt für zusätzliche Festigkeit und Transparenz. Beide Materialien sind für mittlere Belastungen geeignet.
PEEK für hohe Temperaturen
PEEK hält hohen Temperaturen stand, bei denen andere Kunststoffe versagen. Es behält seine Festigkeit und Steifigkeit auch bei hohen Temperaturen in der Verbindung. Aufgrund des höheren Preises eignet es sich vor allem für anspruchsvolle Anwendungen.
Abdichtung und Fixierung in einem Exoskelett-Gelenkgehäuse
Dichtungen und Halterungen fungieren wie das Immunsystem eines Exoskelett-Gelenkgehäuses. Sie verhindern das Eindringen von Staub, Wasser und Schmutz. Ohne sie rosten Lager, Sensoren verlieren an Genauigkeit und Aktuatoren fallen vorzeitig aus. Eine gute Dichtung hält zudem das Schmiermittel an Ort und Stelle. Die Halterungen fixieren alle Komponenten. Sie verhindern, dass Dichtungen herausspringen und Lager sich verschieben.
Herstellungsprozesse für Dichtungen und Halterungen
Dichtungen und Halter werden je nach Material und Volumen durch Formgebung oder spanende Bearbeitung hergestellt. Für elastische Dichtungen ist das Formpressen üblich, während für Halteringe CNC-Drehen zum Einsatz kommt.
Formpressen für elastomere Dichtungen
Beim Formpressen werden Gummidichtungen mithilfe von Hitze und Druck geformt. Ein Gummistück wird in eine beheizte Form gelegt. Die Form schließt sich, und der Gummi dehnt sich aus und füllt die Form aus. Nach dem Aushärten hat die Dichtung die gewünschte Form. Dieses Verfahren eignet sich für O-Ringe, Dichtungsringe und kundenspezifische Lippendichtungen. Es ist für die Fertigung großer Stückzahlen geeignet und hält die Werkzeugkosten niedrig.
CNC-Drehen für Sicherungsringe
Beim CNC-Drehen werden Sicherungsringe aus Metall- oder Kunststoffrohlingen gefertigt. Eine Drehmaschine fräst in einem Arbeitsgang die Ringform, Nuten und Kanten. Bei Sprengringen und Spiralringen erzeugt das Drehen die Grundform. In weiteren Arbeitsgängen werden die Aussparung oder der Schlitz gefertigt. Das Drehen ermöglicht eine präzise Kontrolle über Ringdicke und -durchmesser. Diese Kontrolle ist wichtig, damit der Ring mit der richtigen Kraft in die Nut einrastet.
Präzisionsanforderungen an Dichtungen und Halterungen
Nutabmessungen und Oberflächenbeschaffenheit
Die Abmessungen der Nut entscheiden über die Dichtwirkung. Eine zu tiefe Nut lässt die Dichtung verrutschen. Eine zu flache Nut drückt die Dichtung zu stark zusammen. Beides führt zu Undichtigkeiten. Auch die Oberflächenbeschaffenheit innerhalb der Nut ist wichtig. Eine raue Nut beschädigt die Dichtlippe beim Einbau. Eine glatte Nut ermöglicht ein problemloses Einsetzen der Dichtung. Dasselbe gilt für die Nuten von Sicherungsringen. Eine raue Nut kann Spannungen verursachen, die den Ring zum Brechen bringen.
Toleranzen für Presspassungen
Presspassungen fixieren Halterungen und Dichtungen ohne Schrauben oder Bolzen. Der äußere Teil ist etwas größer als der innere. Durch Zusammenpressen entsteht ein Halt. Zu viel Presspassung kann zu Rissen im Gehäuse führen. Zu wenig Presspassung lässt das Bauteil herausfallen. Ingenieure berechnen die optimale Passung anhand von Material und Belastung. Bei einem Exoskelett-Gelenkgehäuse ist diese Passung aufgrund der Vibrationen besonders wichtig. Eine lose Halterung kann sich beim Gehen lösen.
Materialien für Dichtungen und Halterungen
Bei der Materialwahl werden Flexibilität, chemische Beständigkeit und Festigkeit gleichermaßen berücksichtigt. Gängige Materialien für Dichtungen sind Elastomere; für Halterungen werden häufig Metalle oder Kunststoffe verwendet.
Nitrilkautschuk und Viton
Nitrilkautschuk ist öl- und fettbeständig und günstiger als Viton. Viton ist hitzebeständiger und beständiger gegen aggressive Chemikalien. Für Verbindungen, die Reinigungsmitteln oder sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, ist Viton die sicherere Wahl. Der Nachteil ist der höhere Preis.
Sicherungsringe aus Edelstahl
Edelstahlringe zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Sie halten Vibrationen und wiederholter Montage stand. Das Material ist formstabiler als Kunststoffringe. Bei hohen Belastungen ist Edelstahl die erste Wahl.
PTFE und UHMWPE
PTFE zeichnet sich durch geringe Reibung und Chemikalienbeständigkeit aus. UHMWPE bietet hohe Verschleißfestigkeit. Beide Materialien eignen sich hervorragend als Stützringe oder Verschleißteile. Sie schützen die Hauptdichtung vor Herausdrücken oder Beschädigung. In einem Exoskelett-Gelenkgehäuse verlängern diese Werkstoffe die Lebensdauer des Gelenks. Ingenieure führen häufig FEM-Analysen durch, um das Verhalten von Dichtungen und Halterungen unter Last zu überprüfen. Die Festigkeit des Haltesystems hängt von Material, Form und Passung ab. Eine schwache Halterung versagt, bevor die Dichtung versagt. Dieser Ausfall lässt Schmutz eindringen und zerstört die Lager. Dasselbe gilt für jedes Lager in der Baugruppe. Jedes Lager benötigt eine Dichtung und eine Halterung, die seinen Toleranzen und seinem Lastprofil entsprechen. In der Praxis verdienen Abdichtung und Halterung ebenso viel Aufmerksamkeit wie das Hauptgehäuse. Eine minderwertige Dichtung kann ein teures Gelenk ruinieren.
Bearbeitung eines Exoskelett-Gelenkgehäuses
Es gibt viele Möglichkeiten, ein Exoskelett-Gelenkgehäuse herzustellen. Sie können herkömmliche CNC-Bearbeitung und Spritzguss nutzen. Auch additive Fertigung ist eine Option. Jedes Verfahren bietet unterschiedliche Präzisionsstufen und Formmöglichkeiten. Die beste Wahl hängt von der benötigten Stückzahl, Ihrem Budget und den gewünschten Leistungsmerkmalen ab. Unternehmen wie NOBLE, ein führender Hersteller in China, bieten all diese Optionen aus einer Hand. Dank ihrer Bearbeitungskompetenz können Kunden vom Prototyp bis zur Serienproduktion gelangen, ohne den Zulieferer wechseln zu müssen.
Subtraktive Prozesse
3-Achsen- und 5-Achsen-CNC-Bearbeitung
Die 3-Achs-CNC-Bearbeitung ermöglicht die Fertigung einfacher Formen. Das Werkzeug bewegt sich in X-, Y- und Z-Richtung, während das Werkstück stillsteht. Sie eignet sich gut für einfache Halterungen und ebene Flächen. Die 5-Achs-Bearbeitung erweitert das Verfahren um zwei Drehachsen. So können Hinterschnitte und Winkelflächen in einer Aufspannung bearbeitet werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei komplexen Kurven, beispielsweise bei Exoskelett-Gelenkgehäusen. Weniger Aufspannungen bedeuten höhere Genauigkeit. Das 5-Achs-Fräsen ist eine gängige Methode für kundenspezifische Aluminium-Gelenkgehäuse. Dynamische Fräspläne unterstützen die Bearbeitung dünnwandiger Bauteile, indem sie Vibrationen während des Fräsvorgangs verhindern.
Dreh- und Dreh-Fräsbearbeitung
Drehen ermöglicht das Bearbeiten runder Konturen auf einer Drehmaschine. Lagersitze, Wellenbohrungen und Sicherungsringnuten werden alle durch Drehen hergestellt. Das Werkstück rotiert, während sich das Werkzeug entlang seiner Länge bewegt. Dreh-Fräs-Bearbeitungen kombinieren Drehen und Fräsen in einer Maschine. Dies reduziert die Bearbeitungszeit und sorgt für eine bessere Ausrichtung von runden und flachen Konturen. Präzisionsdrehen ermöglicht die enge Rundheit, die für Lagersitze erforderlich ist.
Additive und 3D-Drucktechnologie
Additive Fertigung aus Metall
Die additive Fertigung von Metallen erzeugt Bauteile aus Metallpulver. Ein Laser schmilzt jede Schicht und verschmilzt sie mit der darunterliegenden. Das Ergebnis ist ein vollständig dichtes Metallbauteil. Diese Technologie eignet sich gut für komplexe, nicht maschinell bearbeitbare Innenkanäle. Der Nachteil ist die Oberflächengüte. Gedruckte Oberflächen müssen für Lagersitze und Dichtungsnuten nachbearbeitet werden.
Gerichtete Energiedeposition
Beim gerichteten Energieauftrag (DED) wird Metallpulver oder -draht in einen Laserstrahl geführt. Das Material schmilzt beim Kontakt mit dem Werkstück. DED eignet sich besonders gut zum Hinzufügen von Strukturen oder zum Ausbessern verschlissener Stellen. Es wird seltener für komplette Gehäuse eingesetzt, ist aber nützlich für die Hybridfertigung. Dabei wird ein Grundkörper bearbeitet und anschließend gedruckte Strukturen darauf aufgebracht.
Das Schmelzschichtverfahren (FDM) spielt ebenfalls eine Rolle, insbesondere in der frühen Entwicklungsphase. FDM baut Bauteile aus geschmolzenem Filament schichtweise auf. Diese 3D-gedruckten Elemente eignen sich gut für Prototypen und Bauteile mit geringer Belastung. FDM ermöglicht es Ingenieuren, Passung und Form schnell zu überprüfen. Diese tragenden 3D-gedruckten Elemente aus dem FDM-Verfahren dienen als Funktionsprüfteile. Sie erlauben die Überprüfung von Spiel und Montage vor dem eigentlichen Metallzuschnitt. Das Schmelzschichtverfahren bietet eine zuverlässige Möglichkeit, Konstruktionen zu testen, ohne auf die Werkzeugfertigung warten zu müssen.
Umform- und Formgebungsprozesse
Feinguss
Beim Feinguss wird zunächst ein Wachsmodell erstellt. Dieses wird mit Keramik überzogen. Nach dem Aushärten der Keramik schmilzt das Wachs heraus. Metall füllt den entstandenen Hohlraum. Mit diesem Verfahren lassen sich komplexe Innenformen realisieren, die mit spanender Bearbeitung nicht erreichbar sind. Oberflächengüte und Präzision liegen zwischen denen von 3D-Druck und Guss.
Spritzguss
Beim Spritzgießen wird geschmolzener Kunststoff in eine Stahlform gepresst. Der Prozess ist schnell, mit Zykluszeiten unter einer Minute. Die Werkzeugkosten sind zwar hoch, die Stückkosten sinken jedoch mit steigender Produktionsmenge. Für die Herstellung von Exoskelett-Gelenkgehäusen in großen Stückzahlen ist Spritzgießen daher die optimale Lösung. Das Verfahren gewährleistet gleichbleibende Abmessungen bei Tausenden von Teilen. NOBLE vereint all diese Verfahren aus einer Hand. So können Sie Prototypen per 3D-Druck erstellen, diese mit Guss validieren und die Produktion durch Spritzgießen oder maschinelle Bearbeitung skalieren.
Konstruktionsüberlegungen für ein Exoskelett-Gelenkgehäuse
Das Gehäuse eines Exoskelett-Gelenks muss Lasten tragen können, ohne sich zu verbiegen. Gleichzeitig muss es leicht sein. Jedes zusätzliche Gramm bedeutet, dass die Motoren stärker beansprucht werden. Ingenieure müssen diese beiden Anforderungen bei jedem Arbeitsschritt in Einklang bringen.
Strukturelle Integrität und Gewichtsoptimierung
Topologieoptimierung und Rippenbildung
Die Topologieoptimierung ermittelt die Bereiche mit dem größten Materialbedarf. Die Software beginnt mit einem Materialblock und entfernt alles, was keine Belastung trägt. Das Ergebnis ist eine natürliche, dünne und effiziente Struktur. Rippen erhöhen die Steifigkeit dünner Wände. Entlang der Lastpfade angeordnete Rippen verhindern das Ausknicken der Wände. Ein optimales Rippenmuster kann die Steifigkeit eines Gehäuses deutlich steigern. Die Festigkeit des gesamten Gehäuses hängt davon ab, wie die Rippen mit den Lagersitzen und Montageflächen verbunden sind.
Validierung der Finite-Elemente-Analyse
Die Finite-Elemente-Analyse (FEM) überprüft die Konstruktion vor der Metallbearbeitung. Ingenieure erstellen ein Netz aus kleinen Elementen auf dem Bauteil und wenden Lasten und Randbedingungen an. Die Software berechnet Spannung und Durchbiegung an jedem Punkt und identifiziert so frühzeitig Schwachstellen. Bei Kohlefaserbauteilen verwenden Ingenieure ein orthotropes Materialmodell, das die unterschiedlichen Steifigkeitswerte in verschiedenen Richtungen berücksichtigt. Die FEM-Methode ermöglicht den Vergleich verschiedener Optionen. Die Durchführung derselben Analyse an Aluminium, Titan und Kohlefaser zeigt, welches Material die Last am besten aufnimmt. Die FEM-Methode validiert zudem die Rippenplatzierung. Die Ergebnisse der FEM-Analyse bestimmen die endgültige Form und die Materialwahl.
Wärmemanagement und Verschleißfestigkeit
Wärmeableitungswege
Die Wärme entsteht aus verschiedenen Quellen im Gehäuseinneren. Aktuatoren und Motoren erzeugen während des Betriebs Wärme. Die Elektronik im Inneren trägt zusätzlich zur Wärmeentwicklung bei. Die Körperwärme des Benutzers verstärkt das Problem. An den Gelenkkontaktpunkten erhitzen sich Reibung und Belastung. Die eingeschränkte Belüftung um die Gelenke herum führt zu einem Wärmestau. Isolierende Schichten in der Polsterung behindern die Wärmeabfuhr. Feuchtigkeit durch Schweiß reduziert die Kühlung und verursacht Hautreizungen. Der dynamische Betrieb erzeugt variable Wärmelasten. Ingenieure entwickeln daher Wege zur Wärmeabfuhr. Sie nutzen Kühlrippen, leitfähige Pads und Luftkanäle, um die Wärme von empfindlichen Bauteilen fernzuhalten.
Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen
Die Außenhüllen bestehen aus ABS-Kunststoff, Kohlefaser oder Aluminiumlegierungen. Jedes Material leitet und isoliert Wärme unterschiedlich. Die inneren Kontaktschichten bestehen aus Memory-Schaum und Netzgewebe. Diese Materialien schützen den Träger, speichern aber auch Wärme. Organische Polymere in Kombination mit Textilien verbessern die Wärmedämmung. Diese erhöhte Dämmung verändert das thermische Verhalten des gesamten Gelenks. Beschichtungen wie Hartanodisierung auf Aluminium bilden eine verschleißfeste Schicht. Sie verbessern die Korrosionsbeständigkeit für den Einsatz im medizinischen Bereich oder im Außenbereich.
Montage- und Wartungszugänglichkeit
Modulares Design für den Austausch vor Ort
Dank des modularen Designs kann ein Techniker ein beschädigtes Gehäuse schnell austauschen. Standardisierte Befestigungselemente und Steckverbinder reduzieren Ausfallzeiten. Die modulare Verbindung muss hinsichtlich ihrer Festigkeit der Originalkonstruktion entsprechen. Tests belegen die Beständigkeit der Verbindung unter wiederholter Belastung. Dieser Ansatz unterstützt zudem Upgrades. Ein neuerer Aktor passt in dasselbe Gehäuse.
Toleranzstapelverwaltung
Toleranzen summieren sich in der Baugruppe. Eine Wellenbohrung an ihrer oberen Toleranzgrenze und ein Lager an ihrer unteren Toleranzgrenze führen zu einem Spiel. Dieses Spiel verursacht Vibrationen und Geräusche. Die Analyse der Toleranzstapelung prognostiziert das größte Spiel. Ingenieure passen die einzelnen Toleranzen an, um die Endmontage innerhalb der Spezifikationen zu halten. Die Präzision der fertigen Verbindung hängt von der korrekten Handhabung dieser Toleranzstapel ab. Die Festigkeit von Schraubverbindungen hängt von der richtigen Vorspannung ab. Eine lockere Schraube verringert die Verbindungsfestigkeit. Eine zu fest angezogene Schraube beschädigt das Gewinde. Eine gute Handhabung der Toleranzstapelung gewährleistet die einwandfreie Funktion aller Verbindungselemente.
Häufig verwendete Materialien für ein Exoskelett-Gelenkgehäuse
Die Materialien für die Gelenkgehäuse von Exoskeletten sind vielfältig. Häufig gewählt werden Aluminiumlegierungen und Stahl aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer Dauerfestigkeit. Auch Polymere wie ABS kommen zum Einsatz, vor allem für 3D-gedruckte Prototypen. Jedes Material hat seine spezifischen Vor- und Nachteile.
Metallindustrie
Aluminium 6061-T6 und 7075-T6
Aluminium 6061-T6 und 7075-T6 gehören zu den gängigsten Legierungen für Gelenkgehäuse. Sie lassen sich gut bearbeiten und bieten eine gute Festigkeit. Dennoch unterscheiden sie sich in wichtigen Punkten. Hier ein Vergleich:
| Eigenschaft | 6061‑T6 | 7075‑T6 / 7075‑T651 |
| Zugfestigkeit | 276 MPa | 503 MPa |
| Ermüdungsfestigkeit | 96 MPa | 160 MPa |
| Elastizitätsmodul | 71.0 GPa | 71.7 GPa |
| Korrosionsbeständigkeit | Selbstpassivierender Al₂O₃-Oxidfilm (stabil) | Enthält 1.2–2.0 % Kupfer; erfordert Beschichtung |
| Beschichtungsbedarf | Nicht geeignet für raue Umgebungen | Muss passiviert oder beschichtet werden. |
Der Wechsel von 6061 zu 7075 reduziert die Querschnittsfläche bei gleicher Zugbelastung um etwa 45 %. Die Steifigkeit bleibt jedoch nahezu unverändert. Wenn die Knickfestigkeit konstruktionsbestimmend ist, bietet 7075 keine Vorteile. Für Anwendungen mit hoher zyklischer Belastung sind 7075 oder Kohlenstofffaser die bessere Wahl. Moderne, duroplastische oder anodisierte Mehrschichtbeschichtungen versiegeln die Mikroporosität von 7075-T6. Diese Beschichtungen verhindern feuchtigkeitsbedingte Spannungsrisskorrosion unter hochfrequenter zyklischer Belastung von über 10 Millionen Gangzyklen. Versiegelte, hartanodisierte Oberflächen widerstehen zudem über 2,000 Stunden Salzsprühnebeltest ohne Lochfraß.
Titan Ti-6Al-4V
Titan Ti-6Al-4V ist fester als beide Aluminiumlegierungen und leichter als Stahl. Es ist hitze- und korrosionsbeständig. Medizinische Exoskelette verwenden es häufig, da es mit dem menschlichen Körper kompatibel ist. Der Nachteil liegt in den höheren Kosten und der schwierigeren Bearbeitung. Titan ist beim Schneiden schwerer zu bearbeiten und kostet mehr pro Kilogramm. Doch für Anwendungen, bei denen Gewicht und Korrosionsbeständigkeit entscheidend sind, schließt es eine Lücke, die Aluminium nicht füllen kann.
Edelstahl 17-4 PH
Edelstahl 17-4 PH findet Verwendung in stark beanspruchten Gelenkgehäusen. Lagergehäuse, Gelenkbolzen und Drehpunkte werden daraus gefertigt. Er ist zwar schwer, aber robust und kostengünstig. Einige passive Exoskelette nutzen Federstahl zur Speicherung elastischer Energie. Speziallegierungen eignen sich für extreme zyklische Belastungen. Stahl ist zwar nicht die erste Wahl für gewichtskritische Konstruktionen, aber in puncto Langlebigkeit ist er nach wie vor ein bewährtes Material.
Polymere und Verbundwerkstoffe
PEEK und PEI
PEEK und PEI (unter dem Markennamen Ultem vertrieben) sind technische Kunststoffe, die für Gelenkbuchsen und Lagerflächen verwendet werden. Sie sind verschleißfest und benötigen keine Schmierung. Das reduziert Gewicht und Kosten. Zudem lassen sie sich in Formen gießen, deren Bearbeitung aus Aluminium sehr aufwendig wäre. Für Exoskelett-Gelenkgehäuse eignen sich diese Kunststoffe besonders gut, wenn eine Schmierung nicht praktikabel ist.
Kohlenstofffaser- und Glasfaserverbundwerkstoffe
Kohlenstofffaserverstärkte Polymere weisen ein ausgezeichnetes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf. Sie sind jedoch spröde und anfällig für Stoßschäden. Die Matrixmaterialien zersetzen sich unter UV-Licht, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit. Dies führt zu Delamination und Festigkeitsverlust. Glasfaserverbundwerkstoffe sind kostengünstiger, aber schwerer. Beide erfordern eine sorgfältige Konstruktion, um plötzliches Versagen zu vermeiden.
PLA und ABS für 3D-gedruckte Prototypen
Für Prototypen in der Frühphase sind ABS und PLA gängige Materialien. Ingenieure nutzen das Schmelzschichtverfahren (FDM), um diese Teile schnell zu drucken. Das Polymerfilament wird durch eine beheizte Düse geführt und schichtweise aufgebaut. Diese tragenden 3D-gedruckten Elemente eignen sich gut zur Überprüfung von Passgenauigkeit und Spiel. Sie sind nicht für die Serienproduktion vorgesehen. Das Schmelzschichtverfahren bietet jedoch eine schnelle Möglichkeit, Formen zu testen. Ingenieure schätzen den 3D-Druck aufgrund seiner Schnelligkeit und der geringen Kosten. Die Materialeigenschaften dieser gedruckten Teile sind für die Prototypenentwicklung ausreichend. Deshalb ist das Drucken mit ABS in der Frühphase so verbreitet.
Auswahlkriterien und Stärken-Kompromisse
Verhältnis von Stärke zu Gewicht
Grundsätzlich besteht ein Zielkonflikt zwischen Festigkeit, Gewicht und Haltbarkeit. Aluminiumlegierungen sind leicht, neigen aber dazu, unter wiederholter Belastung zu versagen. Stahl bietet eine höhere Festigkeit, erhöht jedoch das Gewicht, was die Akkulaufzeit und den Tragekomfort beeinträchtigt. Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe weisen ein hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf, ihr Versagensverhalten ist jedoch schwer vorherzusagen.
Kosten und Bearbeitbarkeit
Kosten und Produktionsvolumen bestimmen die Materialwahl. 6061 ist günstig und leicht erhältlich. Kohlefaser ist teuer und die Herstellung zeitaufwendig. Bei Kleinserien ist bearbeitetes Metall von Vorteil. Bei Großserien ist Spritzgusskunststoff die bessere Wahl. Auch die Bearbeitbarkeit spielt eine Rolle. Aluminium lässt sich schnell bearbeiten. Titan führt zu starkem Werkzeugverschleiß.
Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit
Korrosionsbeständigkeit gewährleistet die Funktionsfähigkeit der Verbindung auch unter rauen Bedingungen. Aluminium 6061 bildet von selbst eine stabile Oxidschicht. 7075 benötigt aufgrund seines Kupfergehalts eine Beschichtung. Die Dauerfestigkeit ist ebenso entscheidend. Aluminium 6061-T6 weist eine Dauerfestigkeit von 96 MPa auf, 7075-T6 erreicht 160 MPa. Für Anwendungen mit hoher Zyklenzahl sind 7075 oder Kohlefaser die bessere Wahl. Die Verbindungsmechanismen selbst sind oft die Schwachstelle. Herkömmliche Kugellager und Buchsen verschleißen unter hochfrequenter Belastung schnell. Ein Lager im Gehäuse unterliegt denselben Anforderungen. Die Lager müssen wiederholte Zyklen ohne Verschleiß bewältigen. Der Mangel an effektiven selbstschmierenden Materialien erhöht den Wartungsaufwand. Ingenieure berücksichtigen bei der Materialauswahl mechanische Eigenschaften wie die Dauerfestigkeit. Die Festigkeit der gesamten Baugruppe hängt von der richtigen Materialwahl ab. Sie führen außerdem Finite-Elemente-Analysen durch, um das Verhalten unter Last zu überprüfen. Die Materialeigenschaften sind die Grundlage jeder Entscheidung. Die richtige Wahl entscheidet über eine dauerhafte Verbindung oder eine, die frühzeitig ausfällt.
NOBLEs Expertise im Bereich Exoskelett-Gelenkgehäuse
NOBLE ist ein Fertigungspartner, der Metall und Kunststoff verarbeitet. Wir stellen Gehäuseteile für Exoskelette her, die für Teams mit hohen Ansprüchen an Präzision und gleichbleibende Qualität gefertigt werden. Unsere Werkstatt bearbeitet sowohl Metall- als auch Kunststoffteile. Diese Materialvielfalt ist wichtig, da ein Gelenkgehäuse selten nur aus einem Material besteht.
Metall- und Kunststoffverarbeitungskapazitäten
CNC-Bearbeitung, Gießen und Spritzgießen
Wir bieten CNC-Bearbeitung, Gießen und Spritzgießen aus einer Hand. Das bedeutet, dass wir Ihnen sowohl ein gefrästes Aluminiumgehäuse als auch eine gegossene Aktuatorhalterung und eine geformte Sensorhalterung liefern können. So vermeiden Sie unnötige Schuldzuweisungen, die entstehen, wenn drei verschiedene Anbieter einander die Schuld zuschieben. Für Kunststoffteile verwenden wir ABS und andere technische Kunststoffe. Wir unterstützen auch den 3D-Druck für erste Passformen und Vorrichtungen. Benötigen Sie schnell einen Prototyp vor der Werkzeugfertigung? Mit 3D-Druck erhalten Sie Ihr Bauteil im Handumdrehen.
Design-, Prototyping- und Montagedienstleistungen
Unser Team unterstützt Sie bei Konstruktion, Prototypenbau und Montage. Wir prüfen Ihre Zeichnungen, weisen auf schwer zu bearbeitende Details hin und schlagen kostensparende Änderungen vor. Anschließend werden Prototypen gefertigt, gefolgt von der Endmontage. Wir pressen Lagersitze ein, montieren Sicherungsringe und prüfen die Passgenauigkeit, bevor die Produkte versendet werden. Die Stabilität des fertigen Bauteils hängt von diesen Schritten ab, daher betrachten wir die Montage als integralen Bestandteil der Produktion und nicht als nachträglich hinzugefügten Prozess.
Zertifizierungen und Qualitätssicherung
Wir verfügen über relevante Qualitätsmanagement-Zertifizierungen, darunter auch solche für Medizinprodukte. Diese Zertifizierungen sind nicht nur Dekoration. Sie prägen unsere Arbeitsdokumentation, die Mitarbeiterschulung und den Umgang mit Änderungsaufträgen.
Vollständige Rückverfolgbarkeits- und Inspektionsprotokolle
Jede Charge lässt sich bis zum Materialzertifikat und Maschinenprotokoll zurückverfolgen. Wir prüfen eingehendes Material, Bearbeitungsschritte und Fertigteile. CMM-Prüfungen bestätigen Bohrungsdurchmesser, Lochposition und Ebenheit. Abweichungen von den Maßen werden frühzeitig erkannt, bevor es zu größeren Problemen kommt. Diese Sorgfalt gewährleistet die Festigkeit jeder Verbindung und die Einhaltung Ihres Zeitplans.
Vom Entwurf bis zur Montage
Gemeinsame technische Unterstützung
Wir arbeiten als Erweiterung Ihres Entwicklungsteams. Schicken Sie uns ein Modell, und wir sagen Ihnen, welche Maschinen es herstellt, was es kostet und wo es ausfallen könnte. Dieser kontinuierliche Austausch spart Korrekturschleifen.
End-to-End-Produktion und -Test
Vom ersten Entwurf bis zur Serienproduktion übernehmen wir Bearbeitung, Formgebung, Endbearbeitung und Prüfung. Sie erhalten einen Partner, ein Qualitätssicherungssystem und einen festen Ansprechpartner. Das ist die Grundidee von NOBLE.
Jedes Exoskelett-Gelenkgehäuse besteht im Wesentlichen aus denselben Kernkomponenten: dem Hauptgehäuse, Lagersitzen, Aktuator- und Motorhalterungen, Sensorhalterungen sowie Dichtungs- und Befestigungselementen. Jedes Gehäuse hat seinen eigenen Fertigungsprozess, seine eigenen Präzisionsvorgaben und Materialoptionen. Diese Auswahl muss der Belastung, dem Gewicht und den Umgebungsbedingungen des Gelenks entsprechen.
Bearbeitung, Gießen, Formen und 3D-Druck spielen hier alle eine Rolle. Ebenso wichtig ist die Materialauswahl, bei der Festigkeit, Gewicht, Kosten und Korrosionsbeständigkeit aufeinander abgestimmt werden müssen. Stimmt das Gehäuse, funktioniert die Verbindung einwandfrei.
Häufig gestellte Fragen zu Exoskelett-Gelenkgehäusen
Woraus besteht ein Gelenkgehäuse eines Exoskeletts?
Die Gelenkgehäuse von Exoskeletten bestehen häufig aus Aluminiumlegierungen wie 6061-T6. Titan Ti-6Al-4V wird in medizinischen oder korrosiven Umgebungen eingesetzt. Kohlenstofffaserverstärkte Polymere bieten das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. PEEK eignet sich für Buchsen und Lagerflächen. Die Wahl des Materials hängt von Belastung, Gewicht und Umgebungsbedingungen ab.
Warum ist die Präzision der Lagersitze so wichtig?
Ist die Bohrung zu weit, kann sich das Lager drehen. Ist sie zu eng, wird der Lagerring gequetscht. In beiden Fällen geht Energie verloren und die Verbindung verschleißt schnell. Bohrungsdurchmesser, Rundheit, Koaxialität und Rechtwinkligkeit schützen das Lager. Stimmen diese Parameter, läuft die Verbindung über Tausende von Zyklen reibungslos.
Kann man ein Gelenkgehäuse für ein Exoskelett im 3D-Druckverfahren herstellen?
Prototypen lassen sich drucken, jedoch sind gedruckte Teile nicht so stabil wie Schmiedemetall. Das Schmelzschichtverfahren (FDM) eignet sich hervorragend für frühe Passungs- und Toleranzprüfungen. Die additive Fertigung von Metallen ermöglicht die Herstellung dichter Metallteile mit komplexen Innenkanälen. Diese Teile müssen nach dem Druck noch für Lagersitze und Dichtungsnuten nachbearbeitet werden.
Welche Toleranzen müssen die Sensorhalterungen aufweisen?
Die Position der Befestigungslöcher, die Ausrichtung des Sensors, die Oberflächenebenheit und die Wiederholgenauigkeit müssen präzise kontrolliert werden. Auch die thermische Stabilität ist wichtig, da sich Materialien unterschiedlich stark ausdehnen.
Wie schützen Dichtungen und Halterungen die Verbindung?
Dichtungen halten Staub, Wasser und Schmutz fern. Sie sorgen außerdem dafür, dass das Schmiermittel im Inneren bleibt. Halterungen verhindern, dass sich die Dichtungen lösen und die Lager sich bewegen. Die Dichtungsmaterialien werden je nach Umgebungsbedingungen ausgewählt; Metallringe sind vibrationsbeständig und halten wiederholter Montage stand.
Was versteht man unter Topologieoptimierung im Wohnungsbau?
Die Topologieoptimierung beginnt mit einem massiven Materialblock. Die Software entfernt alles Material, das keine Spannungen trägt. Das Ergebnis ist eine dünne, effiziente und natürlich wirkende Form. Rippen erhöhen die Steifigkeit dünner Wände. Ein gut durchdachtes Rippenmuster kann die Steifigkeit einer Schale deutlich steigern.
Warum benötigt 7075-Aluminium eine Beschichtung?
Aluminium 7075 enthält Kupfer, das die Bildung einer natürlichen Oxidschicht verhindert. Ohne diese Schicht kann Feuchtigkeit zu Spannungsrisskorrosion führen. Eine passivierte oder anodisierte Beschichtung versiegelt die Oberfläche. Versiegelte, hartanodisierte Oberflächen überstehen über 2,000 Stunden Salzsprühnebeltests ohne Lochfraß.
Wann sollte man Titan gegenüber Aluminium bevorzugen?
Titan Ti-6Al-4V ist hitze- und korrosionsbeständiger als Aluminium. Es ist zudem biokompatibel, was insbesondere für medizinische Exoskelette wichtig ist. Zu den Nachteilen zählen die höheren Kosten und die schwierigere Bearbeitung. Für gewichtskritische Gelenke in anspruchsvollen oder medizinischen Umgebungen ist Titan die bessere Wahl, wo Aluminium versagt.
