PORTFOLIO

Festkörpergelenke und nachgiebige Mechanismen sind mechanische Systeme, die im Gegensatz zu herkömmlichen Scharniergelenken und Starrkörpermechanismen ihre Be-wegungsfreiheitsgrade aus der gezielten Nutzung der elastischen Flexibilität des Materials gewinnen und nicht aus dem Aufeinandergleiten bzw. Rollen starrer Bauteile (wie es bei-spielsweise bei Gleit- oder Kugellagern der Fall ist). Im Vergleich zu herkömmlichen Ge-lenken und Mechanismen bieten nachgiebige Systeme zahlreiche Vorteile: Sie sind bei vergleichbarer Belastbarkeit leichter, leiser und genauer; ausserdem sind sie verschleiss-frei und wartungsarm sowie günstiger in der Herstellung. Eingeschränkt wurde bisher der Einsatz solcher Systeme hauptsächlich durch die hohe Komplexität in der Analyse und in der Synthese. Das Projekt Nachgiebig statt konventionell setzte sich das Ziel, einen wich-tigen Anstoss zur Verbreitung nachgiebiger Lösungen bei modernen Industrieprodukten zu geben.

Die Gebert Rüf Stiftung finanzierte den Hauptteil eines dreijährigen Projekts, im Rahmen dessen das Projektteam an der Empa mit Industriepartnern an nachgiebigen Lö-sungen für marktnahe Produkte arbeitet. Dabei unterstützte die Stiftung insbesondere den innovativen Charakter des Projektvorhabens und dessen visionäre Grundmotivation: Nachgiebige Systeme verkörpern die Auflösung älterer Entwurfsparadigmen der ange-wandten Mechanik und bereiten somit den Weg für die Freisetzung eines grosses Opti-mierungspotentials, das nicht nur zur Leistungssteigerung, sondern und vor allem zur Wahrung der Nachhaltigkeit und zur Ressourcenschonung eingesetzt werden kann.

Im Rahmen verschiedener Teilprojekte wurden Industriepartnern verschiedener Branchen auf das Potential der nachgiebigen Systeme aufmerksam gemacht. Es entstanden 8 inno-vative Produktlösungen und 28 unterschiedliche Prototypen bzw. Prototypenreihen. Einer der im Rahmen des Projekts erarbeiteten Lösungsansätze führte zur Gründung einer „spin-off“ Firma (compliant concept GmbH). Das Projekt entfaltete ausserdem eine starke Multiplikatorwirkung: 248'453 CHF direkte Industriemittel konnten direkt als Folge desa Projekts akquiriert werden. Hinzu kommen 618’535 CHF Eigenleistung der Industrie, 647'082 CHF institutionelle Fördermittel sowie 182'500 CHF Preisgelder.
Das erste Teilprojekt wurde in Zusammenarbeit mit einem führenden Hersteller chirurgi-scher Instrumente durchgeführt. Die Aufgabe bestand darin, den Aktivierungsgriff eines Instruments für die minimal invasive Chirurgie in nachgiebiger Ausführung zu realisieren. Verschiedene Topologievarianten, Werkstoffoptionen sowie Herstellprozesse wurden ana-lysiert und erprobt, bis sich – in einem direkt vom Industriepartner finanzierten Folgepro-jekt – eine für die Weiterentwicklung eines Produktes aussichtreiche Lösung herauskristal-lisierte. Lösungen für weitere chirurgische Instrumenten wurden im Zusammenarbeit mit diesem und anderen Partnern im Rahmen weiterer Teilprojekte bearbeitet.
Ein weiteres Teilprojekt befasste sich mit der Steigerung der Performance moderner Hoch-leistungspfeilbögen. In Zusammenarbeit mit einem Pfeilbogenhersteller werden Wurfarme (die nachgiebigen Elemente von Pfeilbögen) auf dessen Funktion analysiert und weiterop-timiert.
Schliesslich führte das Projekt als weiteres Anwendungsgebiet zur Handhabungsrobotik. Ein mit einer Robotikfirma erarbeiteter Prototyp eines Greifers zeigte eine Reduzierung der Anzahl separater Bauteile um mehr als 90% sowie Gewichts- und Kostenreduzierungen um 60% bzw. 98%. Hier ist auch eine Fortsetzung im Rahmen von Folgeprojekten vorgesehen.

Campanile L. F., Hasse A., 2007. Compliant solutions for industrial products, Empa Activity Report, 38
Hasse A., Campanile, L. F., 2008. Analysis and optimization-based synthesis of compliant mechanisms, Advances in Science and Technology, 58, 47-53
Campanile, L. F., Hasse, A., 2008. A simple and effective solution of the elastica problem. Journal of Mechanical Engineering Science, 222, C12, 2513-2516
Hasse A., Campanile, L. F., 2008. Synthesis of Compliant Mechanisms for Shape Adaptation by means of a Modal Procedure. Proc. “International Conference on Adaptive Structures and Technologies” (ICAST), Ascona (Schweiz), Oktober 2008
Hasse A., Campanile L. F., 2009. Compliant mechanisms with selective compliance, Empa Activity Report 2009/10, 41
A. Hasse, L. F. Campanile, 2009. Design of Compliant Mechanisms with Selective Compliance. Smart Materials and Structures. 18, 115016
A. Hasse, L.F. Campanile. Modal Synthesis of compliant mechanisms for airfoil shape control: recent developments. 20th International Conference on Adaptive Structures and Technologies (ICAST), Hong Kong, Oktober 2009.
Hasse A., Züst, I. Campanile L. F., 2010. Modal synthesis of belt-rib structures, ange-nommen zur Veröffentlichung im “Journal of Mechanical Engineering Science”

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