Aufziehfiguren sind beinahe schon Museumsstücke, als dass man sie noch in Kinderzimmern findet. Ein Forscherteam aus China und London hat es sich zur Aufgabe gemacht, diese lustigen Figuren wieder populär zu machen. Dafür entwickelten sie ein neues Softwaresystem, wodurch die Herstellung solcher komplexen Spielzeugfiguren einfach gelingt. Eine wichtige Rolle spielen dabei die 3D-Drucker.

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Ein neues Computersystem erzeugt automatisch komplizierte mechanische Komponenten für das 3D-gedruckte Aufziehspielzeug. Das System wurde von Forschern der Universität für Wissenschaft und Technologie in China, der Chinesischen Universität von Hongkong und dem University College London entwickelt.

Aufziehspielzeuge gibt findet man heute eher im Museum als im Kinderzimmer. Spielzeugbegeisterte Forscher nahmen das zum Anlass, ein Computersystem zu entwickeln, in der Hoffnung, Aufziehspielzeuge wieder populär zu machen. Das System ermöglicht den Nutzern, ohne großen Aufwand ihr eigenes Aufziehspielzeug mit dem heimischen 3D-Drucker zu drucken. Es nutzt die analytische Modellierung verschiedener elementarer Mechanismen von Aufziehspielzeugen, einschließlich der Geometrie und Kinematik. Es ist in der Lage, mechanisches Aufziehspielzeug präzise und automatisch zu konstruieren. Die entstandenen Spielzeuge verbrauchen dank dem optimierten Energieverbrauch weniger Energie.

einst waren diese Figuren populär
Aufziehfiguren sind heute eine Seltenheit, waren früher aber sehr populär (Bild © Dr. Peng Song).

Wie funktioniert Aufziehspielzeug?

Jeder kennt Aufziehspielzeuge, doch kaum einer weiß, wie sie wirklich funktionieren. Diese mechanischen Teile bewegen sich im Allgemeinen dank eines Uhrwerkmotors, der an einem Federschlüssel befestigt ist. Dieser ermöglicht, dass eine innere Feder freigegeben wird, wenn das Spielzeug vollständig aufgewickelt ist. Gespeicherte potentielle Energie aktiviert die inneren mechanischen Teile des Spielzeugs.

Es sind diese einzelnen mechanischen Teile, die das Aufziehspielzeug so interessant machen. Abhängig vom Design des Spielzeugs können diese zu einem wippenden Kopf, schwingenden Armen, sich drehenden Rädern und vielem mehr führen. Diese inneren mechanischen Teile sind jedoch oft sehr schwierig herzustellen, insbesondere von Hand. Die kleinen mechanischen Teilen bestehen aus nicht trivialen Formen und müssen für eine effiziente Bewegungsübertragung mit minimaler Reibung verbunden werden.

Das System der Figuren
(a) Eingangsmodell mit vom Benutzer bereitgestellter Teilegeometrie und Bewegung; (b) Aufziehmechanismus nach unserem Verfahren; (c) 3D-gedruckte Teile (obere zwei Reihen) und Federmotor (untere); und (d) zusammengebautes Spielzeug (9,2 × 6,7 × 6,4 cm × 3; und 16,1 g Schale + 7,9 g Motor + 7,3 g Mechanismus) (Bild © Dr. Peng Song).

Software vereinfacht die komplizierte Herstellung stark

Mit ihrem neuen Computersystem machen die Forscher die Herstellung von Aufziehspielzeugen einfacher als je zuvor. Der leitende Forscher Dr. Peng Song, ein früherer Mitarbeiter der Universität für Wissenschaft und Technologie in China, meinte „Unser Ziel war es, ausdrucksstarke Spielzeuge mit beweglichen Teilen zu entwickeln, die nur wenig Energie verbrauchen.“ Um die Idee des einfachen, 3D-bedruckbaren Aufziehspielzeugs zum Leben zu erwecken, analysierten die Forscher elf elementare Mechanismen von Aufziehspielzeugen und modellierten deren Geometrie, kinematische Eigenschaften und Verbindungen.

Das Innere einer Aufziehfigur
Das Innere einer solchen Aufziehfigur (Bild © Dr. Peng Song).

Diese Mechanismen können jeweils zu einer physischen Bewegung wie Schwingen oder Verdrehen führen und können automatisch in einem 3D-Modell platziert werden, um die gewünschte Bewegung ohne mechanisches Versagen zu erzeugen. Sie sind auch in Bezug auf Kompaktheit, Gewicht und Interaktion mit anderen internen Teilen optimiert. Sie werden zum Beispiel nicht versehentlich mit anderen Teilen kollidieren.
Tests haben gezeigt, dass das Computersystem effektiv funktioniert. Einsteiger konnten mit dem System ihr eigenes Spielzeug entwerfen, bevor ihre Kreationen im 3D-Druck zum Leben erweckt wurden.

Eine aufziehbare Teekanne wurde als Prototyp verwendet und zeigte, wie das System einen kompakteren Mechanismus mit kleineren mechanischen Teilen herstellen kann und ihm auch die Möglichkeit gibt, länger zu arbeiten. Die Forscher hoffen nun, ihre Methoden auf Mikroroboterkonstruktionen und mechanische Spielzeuge mit begrenzter Batterieleistung anzuwenden. Die Ergebnisse der ersten Forschungsarbeiten werden auf der SIGGRAPH Asia 2017 in Bangkok vom 27. bis 30. November präsentiert.

Oft wird der 3D-Druck auch in der Welt der Spielzeuge eingesetzt. Letztes Jahr haben wir von Spielzeugen aus dem 3D-Drucker berichtet, die IRA3D an Kindern und Eltern getestet hat. Der 3D-Spielzeugkonfigurator Fluxmo verlagert die Fertigung von Spielzeugen gar nach Hause. Knapp 40 weitere Beispiele, Projekte und Innovationen zeigt unsere Themenseite „Spielzeug aus dem 3D-Drucker„.

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