3D-gedruckte, rotierende Geräte können erkennen, wie sie sich bewegen

Die Integration von Sensoren in Rotationsmechanismen könnte es Ingenieuren ermöglichen, intelligente Scharniere zu bauen, die wissen, wann eine Tür geöffnet wurde, oder Zahnräder in einem Motor, die einem Mechaniker mitteilen, wie schnell sie sich drehen. MIT-Ingenieure haben nun einen Weg entwickelt, wie sich Sensoren mithilfe des 3D-Drucks leicht in solche Mechanismen integrieren lassen.

Obwohl die Fortschritte im 3D-Druck die schnelle Herstellung von Rotationsmechanismen ermöglichen, ist die Integration von Sensoren in die Konstruktionen immer noch sehr schwierig. Aufgrund der Komplexität der rotierenden Teile werden die Sensoren in der Regel manuell eingebaut, nachdem das Gerät bereits hergestellt wurde.

Die manuelle Integration von Sensoren ist jedoch keine leichte Aufgabe. Wenn man sie in ein Gerät einbettet, könnten sich die Drähte in den rotierenden Teilen verheddern oder deren Drehung behindern, und die Montage externer Sensoren würde den Mechanismus vergrößern und möglicherweise seine Bewegung einschränken.

Das neue System, das die MIT-Forscher entwickelt haben, ermöglicht es dem Hersteller stattdessen, mit leitfähigem 3D-Druckfilament Sensoren direkt in die beweglichen Teile eines Mechanismus zu drucken. Dadurch können die Geräte ihre Winkelposition, Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung erfassen.

Mit dem MechSense genannten System kann ein Hersteller Rotationsmechanismen mit integrierten Sensoren in nur einem Durchgang mit einem Multimaterial-3D-Drucker herstellen. Diese Art von Druckern verwendet mehrere Materialien gleichzeitig, um ein Gerät herzustellen.

Um den Herstellungsprozess zu rationalisieren, entwickelten die Forscher ein Plugin für die computergestützte Konstruktionssoftware SolidWorks, das Sensoren automatisch in ein Modell des Mechanismus integriert, das dann direkt an den 3D-Drucker zur Herstellung gesendet werden kann.

MechSense könnte es Ingenieuren ermöglichen, schnell Prototypen von Geräten mit rotierenden Teilen, wie Turbinen oder Motoren, zu erstellen und dabei Sensoren direkt in die Entwürfe zu integrieren. Besonders nützlich könnte es bei der Entwicklung greifbarer Benutzeroberflächen für Augmented-Reality-Umgebungen sein, bei denen die Erfassung der Bewegungen des Benutzers und die Interaktion mit den Objekten entscheidend ist.

“Ein großer Teil der Forschung, die wir in unserem Labor betreiben, besteht darin, Herstellungsmethoden, die von Fabriken oder spezialisierten Institutionen entwickelt wurden, für den Menschen zugänglich zu machen. Der 3D-Druck ist ein Werkzeug, das sich viele Menschen zu Hause leisten können. Wie können wir also dem durchschnittlichen Hersteller die notwendigen Werkzeuge zur Verfügung stellen, um diese Art von interaktiven Mechanismen zu entwickeln? Letztendlich dreht sich bei dieser Forschung alles um dieses Ziel”, sagt Marwa AlAlawi, Doktorandin im Bereich Maschinenbau und Hauptautorin eines Artikels über MechSense.

Zu AlAlawis Co-Autoren gehören Michael Wessely, ein ehemaliger Postdoktorand im MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), der jetzt Assistenzprofessor an der Universität Aarhus ist, und die Hauptautorin Stefanie Mueller, eine außerordentliche Professorin in den MIT-Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik sowie Maschinenbau und Mitglied des CSAIL, sowie weitere MIT-Mitarbeiter und Mitarbeiter der Accenture Labs. Die Forschungsergebnisse werden auf der ACM CHI Conference on Human Factors in Computing Systems vorgestellt.

Eingebaute Sensorik

Um Sensoren so in einen Rotationsmechanismus einzubauen, dass sie die Bewegung des Geräts nicht stören, nutzten die Forscher kapazitive Sensoren.

Ein Kondensator besteht aus zwei Platten aus leitendem Material, zwischen denen sich ein isolierendes Material befindet. Wenn die Überlappungsfläche oder der Abstand zwischen den leitenden Platten verändert wird, beispielsweise durch Drehen des Mechanismus, kann ein kapazitiver Sensor die daraus resultierenden Veränderungen im elektrischen Feld zwischen den Platten erkennen. Diese Information könnte dann beispielsweise zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet werden.

“Bei der kapazitiven Sensorik muss nicht unbedingt ein Kontakt zwischen den beiden gegenüberliegenden leitenden Platten bestehen, um Veränderungen in diesem speziellen Sensor zu überwachen. Das haben wir uns für unser Sensordesign zunutze gemacht”, sagt AlAlawi.

Rotationsmechanismen bestehen in der Regel aus einem rotierenden Element, das sich über, unter oder neben einem stationären Element befindet, z. B. einem Zahnrad, das sich auf einer statischen Welle über einer ebenen Fläche dreht. Das sich drehende Zahnrad ist das rotierende Element und die flache Oberfläche darunter ist das stationäre Element.

Der MechSense-Sensor umfasst drei Felder aus leitfähigem Material, die in die stationäre Platte gedruckt sind, wobei jedes Feld durch nichtleitendes Material von seinen Nachbarn getrennt ist. Ein viertes Feld aus leitfähigem Material, das die gleiche Fläche wie die anderen drei Felder hat, ist auf die rotierende Platte gedruckt.

Wenn sich das Gerät dreht, überlappt der Fleck auf der rotierenden Platte, der so genannte Schwebekondensator, der Reihe nach jeden der Flecken auf der stationären Platte. Wenn sich die Überlappung zwischen dem rotierenden Pflaster und jedem stationären Pflaster ändert (von vollständig bedeckt über halb bedeckt bis hin zu gar nicht bedeckt), erkennt jedes Pflaster einzeln die daraus resultierende Kapazitätsänderung.

Der schwimmende Kondensator ist nicht mit einem Schaltkreis verbunden, so dass sich die Drähte nicht mit den rotierenden Komponenten verheddern können.

Vielmehr sind die stationären Patches mit einer Elektronik verbunden, die mithilfe einer von den Forschern entwickelten Software die rohen Sensordaten in Schätzungen von Winkelposition, Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit umwandelt.

Schnelles Prototyping ermöglichen

Um den Prozess der Sensorintegration für den Benutzer zu vereinfachen, haben die Forscher eine SolidWorks-Erweiterung entwickelt. Der Konstrukteur gibt die rotierenden und stationären Teile seines Mechanismus sowie das Rotationszentrum an, und das System fügt dem Modell dann automatisch Sensorfelder hinzu.

“Die Konstruktion wird dabei überhaupt nicht verändert. Es ersetzt lediglich einen Teil des Geräts durch ein anderes Material, in diesem Fall ein leitfähiges Material”, sagt AlAlawi.

Die Forscher nutzten ihr System für den Prototyp mehrerer Geräte, darunter eine intelligente Schreibtischlampe, die Farbe und Helligkeit ihres Lichts ändert, je nachdem, wie der Benutzer den Boden oder die Mitte der Lampe dreht. Sie stellten auch ein Planetengetriebe her, wie es in Roboterarmen verwendet wird, und ein Rad, das die Entfernung misst, während es über eine Oberfläche rollt.

Während der Entwicklung des Prototyps führte das Team auch technische Experimente zur Feinabstimmung des Sensordesigns durch. Sie stellten fest, dass die Fehlerquote in den Sensordaten zunahm, je kleiner die Patches wurden.

“In dem Bestreben, elektronische Geräte mit sehr wenig Elektroschrott zu erzeugen, wollen wir Geräte mit kleinerem Platzbedarf, die dennoch gute Leistungen erbringen können. Wenn wir unseren Ansatz beibehalten und vielleicht ein anderes Material oder einen anderen Herstellungsprozess verwenden, können wir bei gleicher Geometrie weniger Fehler anhäufen”, sagt sie.

Neben der Erprobung verschiedener Materialien wollen AlAlawi und ihre Mitarbeiter untersuchen, wie sie die Robustheit ihres Sensordesigns gegenüber externen Geräuschen erhöhen können, und auch druckbare Sensoren für andere Arten von Bewegungsmechanismen entwickeln.

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