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.
Eine gute Übersicht über das Projekt findet man auch unter [1]
Mach mit, hier gehts zur Taskliste
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.
Ergänzung, Stand 2013: Inzwischen hat sich gezeigt, dass es sinnvoill ist, das UniproKit-Prinzip auch auf andere Materialien als nur Metall bzw. Aluminium auszudehnen, so etwa auch auf Holz. Als nächstes wird (, z.B, u.a. auch um die Möglichkeiten eines 3D-Druckers gut auszuschöpfen) auch Plastik, bzw. Kunststoff (PLA, ABS, Nylon, POM PTFE) hinzukommen. Das klingt zwar im ersten Moment vielleicht etwas unedel, aber wir können einfach an den sich daraus ergebenden Möglichkeiten nicht vorbeigehen ;)
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.
Der Zusammenhang zwischen Bauteile-Pool, Set und BOM einer Konstruktion
Ein beliebiges Konstrukt A kann auf zwei mögliche Arten Bauteile referenzieren, entweder direkt, in Form einer Stückliste, oder indirekt in Form eines Verweises auf ein Set, welches dann seinerseits direkt auf Bauteile verweist. Daher ist ein Set und eine Stückliste vom Charakter her fast dasselbe, der einzige Unterschied besteht darin, das das Set universell ist und ev. auch noch weitere Bauteile referenziert die für Konstrukt A nicht benötigt werden, während die Stückliste A eng im Kontext mit Konstrukt A steht bzw. dazugehört und nur die Bauteile referenziert die auch wirklich dafür benötigt werden
Sie dazu auch die Forumsdiskussion
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.
Katalogisierung
Auf diesen Seiten werden alle Einzelteile gelistet und gepflegt.
Der Katalog selbst kann unter folgendem Link aufgerufen werden. http://wiki.opensourceecology.de/extensions/UniPro/baukasten.php
Baukasten-Sets
Basis-Set Strukturelemente
Basis-Set-Strukturelemente
Dieses Basis Set enthält strukturelle Komponenten wie gelochte Winkel- und Flachprofile, T-Slot-Profile und Verbindungselemente
Ergänzungs-Set Lineartrieb
Lineares Gleitlager
Dieses Ergänzungs Set enthält Komponenten die ermöglichen einen Lineartrieb zu herzustellen
Ergänzungs-Set Schrittmotoren
Dieses Ergänzungs Set enthält Schrittmotoren und strukturelle Komponenten wie Motoraufhängung
Ergänzungs-Set Elektronik
Dieses Ergänzungs Set enthält Elektronik-Komponenten zur Steuerung von Motoren und Maschinen
Erweiterungs-Set Handtuchhalter
Konstruktionsbeispiel Handtuchhalter
Dieses Ergänzungs Set enthält Teile, welche zusätzlich zum Basisset-Strukturelemente benötigt werden.
Basis-Set Holz
Dieses Basis Set enthält einen Holzbaukasten, mit hölzernen Komponenten, die gelocht sind
Ergänzungs-Set Langholz
Dieses Ergänzungs Set beinhaltet besonders lange Hölzer
Basis-Set Haus
Basis-Set Haus, Wandmodul isoliert
Dieses Basis Set enthält Komponenten die ermöglichen eine Wandkonstruktion für ein Haus in Rahmenbauweise zu bauen.
Konstruktionsbeispiele
Demo-Objekt Verbindungen
demonstriert, wozu man das Basis-Set Strukturelemente verwenden kann.
- Verbindungen
Einfacher Linear-Trieb
Proof-of-concept-Objekt für das Ergänzungs-Set Lineartrieb und die Slider-Elemente
- Erster Test-Entwurf eines LinearDrives mit PTFE-Slider-Elementen
Solartrockner
Dieses universelle Trocknungsgerät (= Dörr-Gerät) basiert auf dem Prinzip eines solarthermischen Warmluft-Kollektors ("Hot-Air-Collector"). Der Rahmen wurde ausschliesslich aus Bauteilen des Basis-Sets "Holz" und des Ergänzungssets "Langhölzer" konstruiert. Man kann damit Nahrungsmittel wie Obst trocknen und somit langfristig haltbar machen ... oder auch Wäsche trocknen ;)
- Solar-Dörrer
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Organisatorisches
Entwickler-Team
Oliver Schlüter (Hauptverantwortlicher Ansprechpartner)
Sebastian Gampe (Hauptverantwortlich für Katalogisierung der Teile)
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
- 26.12.2012 Seite für Basis-Set angelegt
- 27.12.2012 Seite für Bohrlehre für Lochraster angelegt
- 06.01.2013 Seite für Ergänzungs-Set Lineartrieb angelegt
- 02.06.2013 Seite für Basis-Set Haus und Ergänzungs-Set Elektronik angelegt
- 12.06.2013 Lineartrieb Konstruktionsbeispiel ergänzt
- 17.06.2013 Seite für Basis-Set Holz und Ergänzungs-Set Langholz angelegt
Aktueller Entwicklungs-Status
Es wurden bereits einige Basis- und Ergänzungs-Sets angelegt und grob definiert, d.h., es müssen noch vereinzelt Bauteil-Abmessungen ergänzt oder korrigiert werden. Zum Basis-Set Strukturelemente gibt es bereits CAD-Libraries, bei den anderen Set müssen diese noch gezeichnet und bereitgestellt werden. Mittelfristig sollten zu allen Teilen auch noch Fertigungszeichnungen in 2D erstellt werden.
Inzwischen sind auch schon erste Konstruktionsbeispiele in Arbeit, z.B. zum Lineartrieb-Set und zum Holz-Set. Diese müssen fertiggestellt und dann mit eigener Seite dokumentiert werden, d.h., incl. vollständigen Bauplänen, Teilelisten und Manufacturing-Instructions.
ToDo next
- Ergänzung-Set Schrittmotoren: Seite anlegen und grob definieren
- Basis-Set: Sketchup-Library bereitstellen
- Lineartrieb: in Sketchup zeichnen und Teile als Sketchup-Library bereitstellen
- Bohr-Automat für Alu-Bauteile bauen
- Systematik: Hierarchisches Kategoriensystem Liste vervollständigen (d.h., noch ein paar Kategorien ergänzen) und die bisherigen Bauteile durchnummerieren.
- Konstruktionsbeispiel für Lineartrieb (proof-of-concept) erstellen
- Konstruktionsbeispiel für das Holz-Set (Solartrockner) erstellen
- Jig für das Haus-Set (Styroporschneider) erstellen
Spenden
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Open Tasks
- Erstellung von Jigs Index
- Entwicklung des Basic-Sets (Herstellungs-Anleitung)
- Entwicklung von Erweiterungs-Set Power-Supply und Solar-Power
- HelloWorld-Device, virtuelle und physikalische Konstruktion
Mitarbeit / Hilfe gesucht
Aufgabenliste Universal Prototyping Kit
| Startdatum | Zieldatum | Status | Aufgabe | Benötigte Fähigkeiten |
|---|---|---|---|---|
| 05.03.2013 | 19.03.2013 | fertig Bastelmike |
Umwandlung Teilezeichnungen Sketchup -> CAD https://forum.opensourceecology.de/viewtopic.php?f=36&t=479 |
Sketchup, CAD |
| 24.06.2013 | irgendwann | zu tun | Erstellung von 2D-Fertigungszeichnungen für Basis-Set Strukturelemente und Ergänzungs-Set Lineartrieb | CAD |
| 24.06.2013 | irgendwann | zu tun | Erstellung von Sketchup- und CAD-Libs sowie 2D-Fertigungszeichnungen für Basis-Set Holz und Ergänzungs-Set Langholz | Sketchup, CAD |
| 24.06.2013 | irgendwann | zu tun | Projektseiten ins Englische übersetzen | Englisch |
| 03.07.2013 | irgendwann | zu tun | Einzelteile katalogisieren | keine |
| 18.07.2013 | irgendwann | zu tun (Case) | Flachprofil 120mm und Sketchup-Libs ergänzen | Sketchup, CAD |
Literatur und Links
| Referenz | Beschreibung |
|---|---|
| [2] | Knotech AUTOMAT Konstruktionsbaukästen – Mechanik-Bauteilsystem für den professionellen Einsatz bei der Entwicklung von Prototypen, Geräten, Funktionsmodellen und Vorrichtungen |
| [3] | Webseite vom Contraptor-Projekt |
| [4] | Adapter für verschiedene Kinder-Baukästen |
| [5] | Makerbeam T-SLot-System im Mini-Format |
| [6] | MicroRax T-Slot-ähnliches System im Mini-Format |
| [7] | Giffi, Baukastensystem für Roboter oder kinetische Skulpturen |
| [8] | Makertoolkit Extrusion, pfiffiges 40x40er T-Slot-ähnliches System |
| [9] | OpenBeam T-Slot ähnliches Open Source System |
| [10] | OpenRail, Open Source Linear Bearing System; Linear Führungsschienen für Kombination mit T-Slot-Systemen |
| [11] | Projekt-Board im OSEG-Forum |
| [12] | Lego-Technik (nicht ganz so stabil aber sehr populär auch fürs Prototyping) |
| [13] | Robotunits, T-SLot-System für Maschinenbau |
| [14] | System basierend auf Alu-Quadrat-Rohren, in vielen Baumärkten verfügbar |
| [15] | How to Make Everything Ourselves: Open Modular Hardware |
| [16] | OpenStructures - explores the possibility of a modular construction model where everyone designs for everyone on the basis of one shared geometrical grid. |
| [17] | OpenStructures Grid, Open Source Gridsystem, Raster |
| [18] | MakeBlock, System mit Fokus auf Robotics |
Presse
| Referenz | Beschreibung |
|---|---|
| [19] | Erste öffentliche Vorstellung des UniproKits auf der Makerfaire 2013 in Hannover |