Design, analysis and construction of a fully compliant mechanism using FEM and 3D printing

Ziel dieser Arbeit war es, einen bestehenden compliant mechanism in Form einer Zange unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) genau zu untersuchen und das Design auf Basis der Ergebnisse zu verbessern. Schließlich wurde das neue Design vom Institut für Fertigungstechnik der TU Graz mittels 3D-Druck hergestellt.

Ein compliant mechanism erhält zumindest einen Teil seiner Beweglichkeit durch die Deformation seiner flexiblen Elemente und besteht häufig nur aus einem einzigen Teil. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mechanismen, bei denen starre Komponenten mit Gelenken und Federn verbunden werden, bietet der nachgiebige Ansatz einzigartige Vorteile.

•    Weniger Bauteile
•    Andere Produktionsprozesse können verwendet werden
•    Spielfreiheit
•    Kein Reibungsverschleiß
•    Kompakt

Es gibt jedoch auch einige Nachteile, von denen einer darin besteht, dass die Konstruktion solcher Mechanismen umständlicher ist, da selbst kleine Änderungen der Geometrie einen erheblichen Einfluss auf die Leistung haben können, und Materialermüdung eine größere Rolle spielt als in traditionellen Designs.

Dieser Mechanismus war für die Analyse gut geeignet. Die Gründe dafür sind zum einen das Potenzial für spätere Änderungen und die relative Einfachheit der Geometrie. Diese Einfachheit ermöglichte eine zweidimensionale Simulation, wodurch die Rechenzeit erheblich verkürzt und die Geometrieerstellung vereinfacht wurde.

Ein wesentlicher Teil der FEA bestand darin, die optimalen Kontakteinstellungen zu ermitteln, indem verschiedene Kombinationen von Kontaktalgorithmen, Oberflächenerkennungsmethoden, Oberflächenverhalten und Toleranzen getestet wurden.
In den meisten Fällen führt das Hinzufügen eines Kontaktpaars zu Konvergenzproblemen, die entweder durch Ändern der Kontakteinstellungen oder durch Verteilen der Last über einen längeren Zeitraum behoben werden können.

Für die Konvergenz der Analyse war es erforderlich, die gewünschte Last in kleinere Teile, sogenannte Laststufen (LS), zu unterteilen. In jeder LS wird die aufgebrachte Belastung um einen bestimmten Betrag erhöht, die Größe dieser Schritte muss für jedes System und für jeden Zeitpunkt individuell gewählt werden. Die erforderlichen LS-Größen wurden durch mehrere Tests ermittelt.

Durch viele Iterationen und Experimente mit den Einstellungen von ANSYS konnten einige Einblicke in die Spannungsverteilung des ursprünglichen Designs gewonnen werden. Nach der Interpretation dieser Ergebnisse war klar, dass die maximale Spannung drastisch reduziert werden musste, um unter der Zugfestigkeit des Materials zu bleiben. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedene Änderungen implementiert und getestet.

Nach der Simulation einer bestimmten Anzahl unterschiedlicher Designs wurde ein endgültiges Design für den 3D-Druck ausgewählt. Das Institut für Produktionstechnik der TU Graz hat zugesagt, bei diesem Vorhaben zusammenzuarbeiten, und zwei Versionen wurden gedruckt. Einer von diesen Versionen brach beim ersten Test und der andere verformte sich plastisch. Beide bestätigten aber die Simulation hinsichtlich des Ortes der maximalen Spannung und des Spannungsswertes bis zu einem gewissen Grad.

Weitere Nachforschungen zu diesem Thema würden schließlich zu einer Konstruktion führen, die den Belastungen während der Arbeitsbewegung standhält, ohne zu brechen oder plastische Verformungen zu entwickeln.