Universal Prototyping Kit

Universal Prototyping Kit ("UniPro-Kit")

Einleitung

Manch einer kennt vielleicht noch die in früheren Jahrzehnten recht populären Metallbaukästen, wie Märklin oder Meccano, oder hat vielleicht als Kind noch selbst damit gespielt. Gelochte Bänder, Winkel, Räder, Flansche, Transmissionsstangen usw. boten dabei unendlich viel Raum, der Kreativität freien Raum zu lassen und alles mögliche damit nachzubauen - oder aber auch völlig neue Sachen zu entwickeln.

Soetwas wäre wünschenswertfür verschiedene Experimente und Projekte, es lassen sich damit recht schnell Ansätze und Ideen ausprobieren - halt schnelles Prototyping.

Ausserdem wäre es schön, wenn das ganze weniger spillerig und Spielzeug-artig wäre, sondern etwas robuster und vielleicht auch etwas größer dimensioniert.

Orientierung

Ein Projekt, welches diesen Ansatz verfolgt und in vorbildlicher Weise umsetzt ist das OpenSource-Projekt "Contraptor" http://www.contraptor.org

Im Grunde könnte man eigentlich das Contraptor-Projekt auch direkt verwenden bzw. damit zusammenarbeiten, es gibt aber drei Gründe, davon ein eigenes Derivat als OSEG-Projekt zu machen:

1. Das ganze Contraptor-Projekt ist im imperialen System dimensioniert. Das hat massiven Einfluss auf Verfügbarkeit benötigter Bauteile, aber auch auf die Systematik des internen Rastermaßes. Es entstand daher schon bald der Wunsch von Seiten europäischer User, nach einem Contraptor im metrischen System. Es gab dazu auch schon einige Ansätze und erste Umsetzungen. Allerdings ist die Umsetzung weniger trivial als es im ersten Augenblick erscheinen mag, insofern ist also eine durchaus erwägenswerte Alternative, anstatt mühsamer Anpassung und Übertragung das System stattdessen nochmal von Grund auf neu zu entwickeln. Mehr Info zum metrischen Contraptor gibts unter http://gatonero.wikidot.com/forum/start

2. Das Contraptor-Projekt wurde von Anfang an mit einem deutlichen Focus auf kartesische Roboter entwickelt, also Geräte wie Plotter, CNC-Fräse, RepRap, usw.Dabei wurde die Anzahl an benötigten Bauteilen auch relativ kompakt und überschaubar gehalten, was die Sache für den Initiator des Projektes, der zumindest anfangs alles nahezu im Alleingang realisierte, etwas vereinfachte. Es wäre jedoch im Hinblick auf eine größere Bandbreite an damit zu konstruierenden Maschinen und Devices vorteilhaft, noch eine Vielzahl weiterer Bauteile, wie sie in den alten Metallbaukästen meist standardmässig vorhanden waren, wie etwa Zahnräder, Flansche, usw. ebenfalls noch mit einzuführen, wodurch das Projekt an Umfang und Komplexität deutlich zunimmt, aber dafür später wesentlich mehr Möglichkeiten bietet.

3. Das UniPro-Kit kann verwendet werden um bestimmte andere OSE-Projekte relativ einfach zu realisieren. Siehe dazu auch den Punkt "Anwendungen".

Rahmenbedingungen

Auf jedenfall sollte sich das UniPro-Kit in der Tradition des Contraptor-Projektes verstehen und insbesondere auch einige der zentralen Rahmenbedingungen übernehmen, als da wären (ohne Anspruch auf Vollständigkeit):

1. Open Source: (ok, versteht sich für ein OSEDE-Projekt von selbst)

2. Standard-Ausgangsmaterialien: Also solche, die möglichst in jedem Baumarkt oder zumindest ähnlich einfach verfügbar sind.

3. DIY-able: Zumindest die Grundkomponenten des UniPro-Kits sollten mit einfachen Werkzeugen und Jigs herstellbar sein.

4. Rückwärts-Kompatibilität: Neue Komponenten und Erweiterungen sollten sich in das Grundmuster, also z.B. das Rastermaß, gut einfügen

5. Möglichst viel universell verwendbare Komponenten entwickeln anstatt solcher, die nur auf einen spezifischen Anwendungsfall zugeschnitten sind

6. Alle Elemente auch virtuell verfügbar: Als Sketchup-Modell-Library. Damit ist es möglich bereits vorab ein neues Gerät zunächst rein virtuell zu entwickeln.

7. Selbst-Reproduzierbarkeit: Es können damit Maschinen entwickelt werden, mit denen man Grundkomponenten (teil-)automatisiert erstellen kann.

Anwendungen

Trotz der gegebenen Vielfalt an Anwendungsmöglichkeiten sollten für uns vor allem anderen insbesondere zwei Anwendungsbereiche im Vordergrund stehen:

• Selbst-Reproduktions-Anwendungen: Auch wenn es möglich ist die Grundelemente von Hand zu erstellen spricht doch nichts dagegen, als erstes ein (oder mehrere) Gerät(e) zu bauen, mit deren Hilfe man die Grundelemente teil- oder vollautomatisch erstellen kann, einfach um bei einem größeren Bedarf an Teilen Zeit zu sparen. Ganz oben auf der Wunschliste steht daher erfahrungsgemäß ein Gerät bzw. Roboter, der automatisch und präzise die Löcher in die Alu-Winkel bohren kann. Das wäre also sozusagen die "hello-world"-Anwendung und gleichzeitig ein gutes und (irgendwann) erprobtes Lern- und Übungsmodell, ehe man sich an kompliziertere Maschinen wagt.

• OSE-Anwendungen die damit 1:1 realisiert werden könnten. Als da wären: 1. Die CNC-Platinenfräse und 2. der 3D-Printer-Primer ("RepStrap"). Diese Dinge bieten sich einfach sehr stark an zur Realisierung mittels UniPro.

• Teile einer OSE-Anwendung. Also z.B. eine schrittmotorgesteuerte Linearantriebseinheit, die als Teil eines anderen OSE-Projektes fungiert, also z.B. bei einem nachgeführten Photovoltaik-System.

• Einfache Realisierung eines Automatik-Jigs zur Herstellung bestimmter für ein OSE-Projekt benötigter Teile. Also sozusagen ein kleiner Produktionsroboter, der schnell mal eben zusammengeschraubt werden kann, um bestimmte Spezialteile zu produzieren oder zumindest einen bestimmten Produktionsschritt (z.Bsp. Bohrungen) zu unterstützen bzw. unkompliziert zu automatisieren.

Nebenaspekte / Überlegungen / Ausblick

Im Vergleich mit typischen OSE-Projekten fällt auf, dass die mit UniPro realisierbaren Projekte eine etwas andere "Gewichtsklasse" aufweisen die mithin wie eine Art Light-Version anmuten. Das soll konkret heissen: Eine typische UniPro-Anwendung ist zunächst gekennzeichnet durch Aluminium als Ausgangsmaterial, d.h., leicht zu bohren, Verbindungen werden geschraubt. Bei vielen typischen OSE-Projekten dagegen kommen eher Eisen oder Stahl zum Einsatz und die Verbindungen werden oft geschweisst. Das ist eine eher Industrie-like Klasse die auch entsprechend höhere Beanspruchung erlaubt und m.E. ein wesentliches Merkmal der OSE-Bewegung repräsentiert: Wir wollen uns tatsächlich mit industriellen Maßstäben messen lassen und es in vielen Bereichen sogar noch besser machen. Wieauchimmer, vielleicht verhilft uns der Umgang und die Erfahrungen mit der einfach anzuwendenden Light-Version UniPro dazu, mit der Zeit auch Tools und Automatisierungs-Jigs zu entwickeln, mit denen man imstande ist, auch Stahl automatisch zu bohren und vielleicht gar zu verschweissen und früher oder später eine Fräse zu entwickeln, mit der auch Stahl-Präzisionsteile angefertigt werden können - was natürlich eine ganz andere Liga ist als Platinen zu fräsen.

Standardisierung

Im Rahmen des wesentlich erweiterten Spektrums an Einsatzmöglichkeiten soll bei UniPro im Gegensatz zu Contraptor auch eine beliebig große Bandbreite and Standardelementen möglich sein - je nach Erfordernissen. Andererseits ist es aus pragmatischen Gründen stets wünschenswert, den Pool an Elementen möglichst überschaubar, universell, kompakt und gut realisierbar, aber gleichzeitig auch vielseitig (im Sinne von Spezial-Elemente für bestimmte Anwendungsfälle) zu halten. Eigentlich sind das zwei entgegengesetzte Ansprüche. Um damit umgehen zu können, empfiehlt es sich, sich an zwei Vorbildern zu orientieren.

Das erste Vorbild ist der gute alte Metallbaukasten. Hier ist es so, dass es meist einen Grundkasten gibt, der die wichtigsten Grundelemente ("Basics") enthält, sowie dazu in diversen Ausbaustufen den Erweiterungskasten I. und II. (größere Anzahl der Grundelemente + ein paar Extraschmankerln) ;) Ergänzend dazu gibts (bzw. gabs) dann aber meist noch die speziellen, d.h., Themen-bezogenen Extra-Baukästen, also etwa das "Motorisierungs-Set" oder besser noch die ganz proprietären Sets ("alles was man zum Bau einer Planierraupe braucht"). Diese Art der Aufteilung und Kategorisierung soll hier auch angewendet und parallel zur Ergänzung neuer Komponenten eine Systematik bzw. Systematische Zuordnung zu bestimmten Sets definiert werden. Damit lässt sich der Wiederspruch zwischen "universell" und "Spezialanwendung" unter einen Hut bringen.

Das zweite Vorbild ist die Verwaltung des Linux-Kernels. Es werden Kriterien benötigt, aufgrund derer eine neue Komponente dem Pool hinzugefügt werden kann bzw. als neue "offizielle" Komponente des "offiziellen" Standardpools gelten darf. Als Minimalanforderung sollten hier folgende Bedingungen gelten:

1. Es muss ein Sketchup-Modell für die offizielle Library erstellt werden bzw. vorhanden sein.

2. Es muss eine Bezugsquelle für die Ausgangsmaterialien oder zu dem Bauteil selbst angegeben sein oder es muss ein Weg beschrieben sein, wie man es selbst herstellen kann.

3. Es muss durch einen Maintainer des offiziellen Pools "approved" worden sein, was vor allem eine sinnvolle Einordnung in die Systematik betrifft.

Unabhängig davon steht es aber jedem frei eine Komponente zu entwickeln, die dann eben nicht "official" ist (vgl. Debian-non-free-Tree).

Systematik für Bauteile

Der oben umrissene Standardisierungsgedanke soll, wenn möglich, ausgeweitet werden, hin zu einer umfassenden Systematik, nach der Bauteile klassifiziert werden können. Diese Systematik könnte auch geeignet sein für bills-of-material-Listen, also Stücklisten, von beliebigen anderen OSE-Projekten.

Die Systematik sollte dabei auch Bezugsquellen beinhalten sowie Beschreibungen, wie man das jeweilige Bauteil mit einfachen Mitteln selbst herstellen kann.

Im Optimal-Fall würde das System in der OSE-Welt breiten Anklang finden und OSE-Entwickler könnten verstärkt oder zumindest wo es geht, versuchen bereits vorhandene OSE-Bauteile in ihren Konstruktionen zu berücksichtigen. Oder aber auch, im Falle der Entwicklung neuer Bauteile, diese in die Systematik und in die Datenbank eingliedern.

Das Ziel und der Vorteil dabei wäre, daß wann immer man ein solches Bauteil aus dem OSE-Bauteile-Katalog innerhalb einer BOM-Liste für ein Projekt verwendet, damit folgendes sichergestellt wäre: Man weiss entweder wo man es kaufen kann, oder wie man es sich selbst herstellen kann.

Literatur und Links

Referenz	Beschreibung
[1]	Knotech AUTOMAT Konstruktionsbaukästen – Mechanik-Bauteilsystem für den professionellen Einsatz bei der Entwicklung von Prototypen, Geräten, Funktionsmodellen und Vorrichtungen
[2]	Webseite vom Contraptor-Projekt
[3]	Adapter für verschiedene Kinder-Baukästen
[4]	Makerbeam T-SLot-System im Mini-Format
[5]	MicroRax T-Slot-ähnliches System im Mini-Format
[6]	Giffi, Baukastensystem für Roboter oder kinetische Skulpturen
[7]	Makertoolkit Extrusion, pfiffiges 40x40er T-Slot-ähnliches System
[8]	OpenBeam T-Slot ähnliches Open Source System
[9]	OpenRail, Open Source Linear Bearing System; Linear Führungsschienen für Kombination mit T-Slot-Systemen
[10]	Projekt-Board im OSEG-Forum
[11]	Lego-Technik (nicht ganz so stabil aber sehr populär auch fürs Prototyping)
[12]	Robotunits, T-SLot-System für Maschinenbau
[13]	System basierend auf Alu-Quadrat-Rohren, in vielen Baumärkten verfügbar

Organisatorisches

Entwickler-Team

Oliver Schlüter (Hauptverantwortlicher Ansprechpartner)

Roadmap / Log

• 13.06.2012 Projektstart
• 30.07.2012 Projekt-Seite im Wiki erstellt
• 16.12.2012 Erstellung von Kategorien Index
• 16.12.2012 Definition der Nomenklatur/Einordnungs-Systematik für Bauteile
• 16.12.2012 Definition der Datenblatt Komponenten
• 17.12.2012 Link-Liste ergänzt

Aktueller Entwicklungs-Status

Das Projekt befindet sich noch in der Planungs- und Evaluierungs-Phase

ToDo next

Wiki-Projektseite:

• Bildmaterial, Grafiken, Skizzen
• Ausführliche Beschreibung des Projekes:
  • Details zur Funktion und technischen Prinzipien
  • Details zum Konstruktions- und Herstellungsprozess
• Material- und Info-Sammlung, Grundlagenwissen, Referenzen zu externen Projekten
• Problembehandlung: Wo klemmts gerade, was hindert besonders?
• Entwurf, Planung, Design
• Entwicklung und Konstruktion
• Prototyp testen, Meßdaten, Optimierung
• Bill of Materials
• Dokumentation
• Release-Versionen, Erweiterungen
• Verbreitung, User-Gallerie

Open Tasks

• Erstellung von Jigs Index
• Entwicklung des Basic-Sets (Bauteile zusammenstellen, Bauteile konstruieren, Herstellungs-Anleitung)
• Entwicklung von Erweiterungs-Sets
• HelloWorld-Device, virtuelle und physikalische Konstruktion
• weitere Sets und Devices