Kunststofflager reduzieren das Gewicht und verbessern die Haltbarkeit

Als der Ingenieur Mark Doyle 2012 begann, Pläne für ein Exoskelett zur Unterstützung von Chirurgen zu schmieden, wollte er ein leichtes Produkt entwickeln, das sie über längere Zeiträume bequem tragen können. Doyle und sein Team bei Levitate Technologies (San Diego, CA) mussten die Produkte, die in das Gerät aufgenommen werden sollten, sorgfältig auswählen, da jedes zusätzliche Gramm das Gerät unbequem und unhandlich gemacht hätte und so die Entwicklung vor Produktionsbeginn beendet hätte.

„Von Menschen zu verlangen, dass sie einen Metallrahmen tragen und ihre Arbeit erledigen, ist keine leichte Aufgabe“, sagte Joseph Zawaideh, Vizepräsident für Marketing und Geschäftsentwicklung bei Levitate. „Wir brauchten etwas, das leicht, unauffällig und anpassbar ist.“ sich der Bewegung des Benutzers bequem und ohne Beeinträchtigung des Arbeitsbereichs anpassen. Es erforderte Liebe zum Detail bei jeder Schraube und jedem Bolzen. Unsere Einstellung war: „Wenn Sie es nicht brauchen, fügen Sie es nicht hinzu.“

Der Airframe™ wurde 2016 auf dem kommerziellen Markt eingeführt. Während er sich bei Chirurgen bewährte, erfuhren auch andere Branchen schnell von seiner Verfügbarkeit, und Levitate erkannte eine Chance für ein erhebliches Geschäftswachstum und verlagerte seinen Marketingschwerpunkt auf Fertigungskunden. Ähnlich wie ein Rucksack konzipiert, lässt sich der Airframe mit einem verstellbaren Rahmen und Riemen an nahezu jede Körpergröße anpassen. Das Exoskelett unterstützt die oberen Extremitäten von Fachkräften und Handwerkern, die wiederholten Armbewegungen und/oder stationären Armhebungen ausgesetzt sind.

Doyle und sein Ingenieurteam hätten in der Anwendung Stahlbuchsen verwenden können. Stattdessen entschieden sie sich für technische Kunststofflager des deutschen Herstellers igus. Das Unternehmen mit einer Niederlassung in Rhode Island stellt eine Reihe technischer Kunststoffprodukte her, die selbstschmierend, leicht und wartungsfrei sind. All diese Eigenschaften und noch mehr gefielen Doyle beim Entwurf von The Airframe. Eine Einheit enthält 32 igus Kunststoffbuchsen. „Es gibt viele Exoskelette auf dem Markt“, sagte Zawaideh. „Das ist das Leichteste auf dem Markt. Es ist leicht genug, dass Arbeiter es den ganzen Tag tragen können.“

Der Schlüssel zum geringen Gewicht der Airframe sind die Buchsen. Stahllager sind immer viel schwerer als Kunststofflager – bis zu sechsmal so schwer. Bei einer Anwendung wie dem Exoskelett erwiesen sich die technischen Kunststoffbuchsen als entscheidend, um das Gewicht auf ein Minimum zu reduzieren.

Die in The Airframe am häufigsten verwendete Buchse ist iglidur® G300 mit einer Dichte von 1,46 g/cm3, einem PV-Wert von 12.000 und einer Zugfestigkeit von 30.460 bei 68°. Typische Anwendungen sind mittlere bis hohe Belastungen, mittlere Gleitgeschwindigkeiten und mittlere Temperaturen. „Es ist ein Allzwecklager und bietet eine gute Mischung aus Verschleiß, geringer Reibung und angemessenen Kosten“, sagte Doyle.

Doyle entschied sich für die iglidur® T500- und Z-Buchsen, um höheren Temperaturen im Exoskelett standzuhalten. Die T500-Buchse mit einer Dichte von 1,44 g/cm3 ist temperaturbeständig bis 482 °C und hat eine Zugfestigkeit von 24.660 °C bei 68 °F. Die Durchführung weist eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme und eine universelle Chemikalienbeständigkeit auf. Die Z-Buchse (Dichte 1,40 g/cm3) wird in Anwendungen eingesetzt, die hohe dynamische Belastungen und Verschleißfestigkeit erfordern. Die Lager sind für Temperaturen bis 482 °C geeignet und haben eine Druckfestigkeit von 9.425 psi. Die Z-Serie bietet außerdem einen Elastizitätsmodul von 348.1000.

Doyle hat sich auch für die iglidur® M250-Buchse für das Exoskelett entschieden – sie weist mehrere wichtige Eigenschaften auf, insbesondere in Bezug auf die Herstellung. Jede Einheit wiegt nur 1,14/g/cm3, kann jedoch Schmutz absorbieren und Vibrationen dämpfen, was die Geräuschentwicklung reduziert und zu einer längeren Lebensdauer der Flugzeugzelle führt.

Die Verwendung von Kunststoffkomponenten bei der Konstruktion der Flugzeugzelle steht im Einklang mit den wachsenden Trends bei der Kunststoffproduktion. Im Jahr 2016 erreichte die weltweite Kunststoffproduktion 335 Millionen Tonnen. Laut einer Studie von Grand View Research, Inc. aus dem Jahr 2015 wird der globale Kunststoffmarkt bis 2020 voraussichtlich etwa 654 Milliarden US-Dollar erreichen.

Gewichtsreduzierung ist ein Hauptgrund für den Trend hin zu Kunststoffkomponenten anstelle von Stahl und anderen Metallen. Die Automobilindustrie nutzt seit Jahren den Kunststofftrend, um das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren. Heutzutage suchen viele Ingenieure und Designer nach Möglichkeiten, Kunststoffe in ihren Projekten einzusetzen, vor allem um das Gewicht zu reduzieren und die Haltbarkeit zu verbessern. Bei vielen Bauprojekten werden inzwischen auch Kunststoffbauteile anstelle von Holz, Stahl und Beton eingesetzt. Unternehmen verwenden Kunststoffe auch zur Herstellung von Strukturbauteilen für Gebäude, Brücken und Eisenbahnen.

Besonders im Automobilbau sind Kunststoffe weit verbreitet. Im Jahr 2014 wurden in Nordamerika in Leichtfahrzeugen Kunststoff-/Polymer-Verbundwerkstoffe im Wert von durchschnittlich 430 US-Dollar pro Fahrzeug verwendet.

Die Airframe überträgt das Gewicht der Arme von den Schultern, dem Nacken und dem oberen Rücken auf den Rumpf durch Polster, die auf der Außenseite der Hüften aufliegen, und entlastet so Muskeln und Gelenke. Durch die Übertragung der Belastung der oberen Extremitäten trägt das Gerät zur Aufrechterhaltung einer qualitativ hochwertigen Leistung bei, schützt die Gesundheit und verbessert die allgemeinen Arbeitsbedingungen.

Das Gerät ist flexibel und skalierbar für Personen jeder Größe, lässt sich leicht an- und ausziehen und bewegt sich nahtlos mit dem Träger, ohne die Fingerfertigkeit einzuschränken oder den Arbeitsbereich zu beeinträchtigen. Das mechanische Unterstützungssystem wird beim Anheben des Arms schrittweise aktiviert und beim Absenken des Arms allmählich freigegeben, um an jedem Punkt der Bewegung das richtige Maß an Unterstützung zu bieten. Die Airframe senkt die Belastung um bis zu 80 Prozent.

„Der Unterschied zwischen The Airframe und anderen derzeit auf dem Markt erhältlichen Exoskeletten besteht darin, dass es sehr leicht und äußerst komfortabel ist“, sagte Doyle. „Es macht Bewegungen sehr natürlich.“ Die Flugzeugzelle wird heute in Produktionsanlagen in der Luft- und Raumfahrt- und Flugzeugmontage, im Schwermaschinenbau, im Schiffbau, in der Landwirtschaft, in der Papier- und Chemieindustrie eingesetzt. Sogar die US-Marine nutzt The Airframe für Wartungsarbeiten.

Tests haben die Wirksamkeit des Exoskeletts bestätigt. Über einen Zeitraum von fünf Tagen stiegen Produktivität und Qualität in einer Produktionsanlage, in der Schweißer und Maler The Airframe trugen. Bei dynamischen Aufgaben, bei denen Maler The Airframe trugen, konnte die Menge, die sie malen konnten, um 53 Prozent gesteigert werden, bevor ihre Muskeln ermüdeten. Auch die Qualität verbesserte sich, da das Exoskelett den Probanden dabei half, bei der Ausführung von Aufgaben eine ruhige Hand zu behalten. Tests an statischen Aufgaben zur Beurteilung von Schweißern ergaben eine Steigerung der Produktivität um 86 Prozent und eine Steigerung der Qualität. Laut Statistiken von Levitate konnten Schweißer mit dem Airframe über einen viel längeren Zeitraum erfolgreiche Schweißungen durchführen.

Die Flugzeugzelle könnte auch dazu beitragen, dass Arbeiter gesund bleiben. Eine Sicherheits- und ergonomische Risikobewertung bei einem Automobilhersteller ergab, dass der Airframe die körperliche Arbeitsbelastung um 20 Prozent reduzierte. „Die Vorteile dieses Geräts waren unglaublich“, sagte Terry Butler, ehemaliger Direktor für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit bei der Vermeer Corporation, einem Hersteller von Industrie- und Landwirtschaftsgeräten in Iowa. „Die Teammitglieder, die dieses Tool verwendet haben, nutzen es mehr als gerne und haben längere Arbeitsaktivitäten erlebt, ohne dass sie sich am Ende ihrer Schicht ermüdet fühlten.“

Dieser Artikel wurde von Thomas Renner für igus, East Providence, Rhode Island, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2018 des Motion Design Magazine.

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