Kurzfassung

Griffi.gh ist der Versuch, einen ergonomischen Griff nach der Methode des Human-centered Designs für die Bedürfnisse des Kunden zu entwickeln. Dabei wird die empirische Menschenvermessung, Anthropometrie, mit der Marketingstrategie „Mass Customization“, zu deutsch kundenindividuelle Massenanfertigung, kombiniert, um flexibel und zielgerichtet auf die unterschiedliche physiologische Beschaffenheit der Hand oder den ästhetischen Wünschen der Verbraucher einzugehen.

Motivation

Der Handgriff ist für mich der ergonomische Designklassiker und der Prototyp für menschliche Artefakte. Man könnte auch sagen, es ist das erste Interface in der Menschheitsgeschichte, welches die Schnittstelle zu Werkzeugen ist und damit den Menschen zu einer materialistischen Schöpfung und Verwirklichung von Ideen befähigt. Ironischerweise möchte ich moderne Technologien und Methoden anwenden, um den Ursprung für sämtliche zivilisatorische Entwicklung rekurrent zu optimieren. Auch wenn es sich nach einer gestalterischen Anmaßung an ein scheinbar anatomisch abgehandeltes Thema anhört, sehe ich in einem individualisierten Handgriff ein divergentes Spannungsfeld, wo technische Restriktion auf freie Ideenfindung, wissenschaftliche Anthropometrie auf angewandtes human-centered Design, klassisches Produktdesign auf neue Technologien und das Handwerk auf Automatisierung trifft. Zudem ist der Handgriff, samt seinem Nutzer, dem Handwerker und Heimwerker, etwas in Vergessenheit geraten, weil gerade viel über Roboter und Digitalisierung geredet wird.

Problemstellung

Handgriff:

Handwerkzeuge, die nicht gut an die Hand angepasst sind, können bei exzessivem und wiederkehrendem Gebrauch zu akuten körperlichen Beschwerden, wie Blasen an der Handinnenfläche, Verspannungen, Sehnenscheidentzündungen in Hand und Unterarm (Tennisarm)¹ führen oder über längerem Zeitraum zu degenerativen oder gar chronischen Erkrankungen führen, wie Athrose – Gelenkverschleiß oder Nervenschädigung, wie das Carpaltunnelsyndrom (CTS).²

Methode – Anthropometrie:

Ein gängige Methode der Anthropometrie ist die Erfassung von Körpergrößen und deren Aufzeichnung in Datentabellen und Normen. Folgende Schwierigkeiten führen zu einer Problematik der Normen als Gestaltungsorientierung:

• Empirische Studien sind nicht allgemein gültig, denn demografische Faktoren in der Gesellschaft, wie ethnische Herkunft oder das soziale Umfeld, ändern sich stetig.
• Der Optimalwert für die Gestaltung ist unterschiedlich. Für die Gestaltung einer Fahrstuhltür müsste man von der größten Person und nicht von der „allgemeinverträglichen Mitte“, die den Medianwert widerspiegelt, ausgehen.³
• Unterschiedliche Körperteile stehen in keiner proportionaler Abhängigkeit zueinander.
• Minderheiten werden ausgeschlossen, bzw. sind unvorhersehbar, wie der „schwarze Schwan“.
• Eine hohe Varianz der Körpergrößen fordert viele Produktvarianten.

Wertewandel – Informationszeitalter und multioptionale Gesellschaft:

Durch das vorherige Industriezeitalter hat die westliche Gesellschaft eine psychische, sowie physische Grundlage geschaffen, und so einen Wertewandel in Gang gebracht, der weg von dem Materialismus und hin zu dem Bedürfnis nach Autonomie, Selbstentfaltung und Individualisierung strebt.⁴ Ein höheres durchschnittliches Einkommen, mehr Zeit, ein erleichterter Zugang zur Bildung und Informationsaustausch durch das Internet haben den Konsumenten zu einem stärkeren Kritiker und Individualisten gemacht, welches zu einer steigenden Heterogenisierung in der Nachfrage führt.⁵

Entwicklung einer kundenangepassten Zahnkelle für den Fliesenleger

Persona

Andy Gebhardt ist die Prototyp der Nutzergruppe (Persona), Repräsentant des Handwerkers, der den Status Quo der Griffe bemängelt und auch Auftraggeber für die Entwicklung eines angepassten Handgriffes.

Entwurf

Prozess

3D-Scan als Methode des Reverse Engineering

Der erste Schritt, um die komplexe Form des Handgriffes im wahrsten Sinne des Wortes zu begreifen, war die negative Abformung in Clay. Dabei wurde mal fester und mal weniger fest zugedrückt, der Daumen adduziert oder abduziert. Es wurde sich nicht an bestimmte Griffkategorien orientiert oder Protokoll geführt, sondern lediglich nach dem „richtigen Griffgefühl“ zugedrückt. Das ganze Verfahren kann man als „Quick and Dirty Prototyping“ bezeichnen und soll eine Orientierungshilfe geben, die Form nachzuempfinden und als Grundlage für ein 3D-Modell zu nutzen. Bei der Abformung kam die Idee und Frage auf, warum eine lufthärtende Plaste nicht in einer luftdichten Folie eingeschweißt am Werkzeug verkauft und so direkt vom Anwender durch das erste Zugreifen in die optimale Handpassung geformt wird. Bereits in der Fallstudie zeigte sich, dass der Handgriff einer Glättkelle auf unterschiedlichste Art und Weise gegriffen werden muss. Die Hand gleitet entlang der Achse vor und zurück, um bestimmte Griffpositionen zu entlasten oder eine Versteifung der Muskeln vorzubeugen. Die Neigung des Bleches kann man durch die Griffrotation steuern. Kurzum: Es ist unpraktisch, wenn durch Einbuchtungen der Finger eine fixe Griffposition erzwungen wird.

3D-Scan als Methode des Reverse Engineering

Der 3D-Scan kann wertvolle Informationen und ein initiales Verständnis der Griffform für eine Nachkonstruktion (Reverse Engineering) bereitstellen. Der 3D-Scan dient als Grundlage, um ihn in dem CAD-Programm „Rhinoceros 3D“ zu vereinfachen und aus dem komplexen, fein aufgelösten Polygonnetz, auch Mesh genannt, eine sauberere mathematisch definierte NURBS-Geometrie zu erzeugen. Die Schwierigkeit, die sich dabei entwickelt, ist die hochkomplexe aus zehntausenden Polygonen zusammengesetzte anthropomorphe, organische Struktur zu abstrahieren und dabei zu berücksichtigen, dass diese später durch eine überschaubare Menge an Daten parametrisiert werden soll. Man kann es als eine Induktion betrachten, denn eine allgemeine Griffform, soll durch den Einzelfall des gescannten Griffes induziert werden. Dabei sollen sowohl die Diversität der Hände verschiedener Probanden, als auch die vielen Grifffacetten einer einmaligen Hand einkalkuliert werden.

Topolgie und Freiformflächenmodellierung

Der einfachste Weg den 3D-Scan in ein NURBS-Modell zu übertragen, war das „slicen“ des Volumenkörpers entlang der Griff-Achse und die daraus gewonnenen Profilkurven zu „verloften“. Leider hat man damit noch keine parametrische Unabhängigkeit von dem 3D-Scan gewonnen. Deshalb muss die Fläche unabhängig vom Scan, aber daran orientiert, neu aufgebaut werden.

Um die Verdrehung im 3D Modell nachzukonstruieren wird der Ursprung der Profilkurven an einer Leitkurve, die in Richtung der Griffachse verläuft, ausgerichtet. Der Durchmesser, die Vertiefung für die Finger und die formgebende Kante wird ausschließlich über die Profilkurven definiert. Dies ist vergleichbar mit den Quer-Spanten/Rippen bei einem Boot, die die Form und Breite des Schiffsrumpfes vorgeben. Formal-ästhetisch ist die Form eines Zylinders eher unglücklich. Es ist schwierig, die Enden zu verschließen und zu verrunden ohne eine Dildoassoziation zu erwecken. Um das zu vermeiden, wurden die drei Flächen des Zylinders, auf zwei reduziert, die sich im Raum krümmen und jeweils eine halbe Seitenfläche des Griffes und eine Stirnseite bilden.

Iteratives Design und Formfindung

Durch den 3D-Druck kann man schnell mehrere Entwurfsiterationen als 1:1 Modell ausdrucken und schauen, ob der Griff gut in der Hand liegt. Ungereimtheiten können direkt am physischen Modell ausgebessert oder ergänzt werden, wie z.B. die bessere Führung des abduzierten Daumens aus Clay und auf das 3D-Modell übertragen werden. Dieser Kreislauf aus Entwickeln, Evaluieren und Neukonstruieren, gibt übere jede Iteration neue Erkenntnisse und eine Richtungsweisung für den optimalen Griff. Die Leitkurve, die aus aus der topologischen Rekonstruktion des Griffes resultierte, bewährte sich bei der Handhabung eines 3D gedruckten Prototypen, als eine orientierungsgebende Kante, denn sie ermöglicht eine taktile Verortung im Raum ohne dabei auf das Werkzeug zu schauen. So kann man bei einer radialen Positionsänderung des Griffes immer wieder über den Tastsinn in die Ausgangslage zurück, wenn z.B. das Blech der Glättkelle horizontal zum Griff steht.

Grasshopper - Automation und generatives Design

Die grobe Domäne für die Griffgestaltung wurde bereits geschaffen und jetzt geht es darum, die markanten Unterschiede zu definieren, denn der Griff soll parametrierbar und individualisierbar sein. Grasshopper 3D leistet Abhilfe und bietet zudem einen beschleunigten iterativen Designprozess. Durch die Änderung von Parametern, meistens Variablen aus Datentypen, wie Zahlen, Booleans, Vektoren oder 3D-Geomtrien lassen sich in sekundenschnelle neue Iterationen generieren. Da noch nicht absehbar ist, welche Kurven und Flächen auf welche Art und Weise Einfluss auf die individuelle Handhabung des Griffes haben, macht es Sinn, den gesamten Griff in Grasshopper zu definieren, um in der Evaluation rückwirkend möglichst viel Spielraum für die optimale Annäherung an einen ergonomischen Griff zu bekommen.

Ergebnis

Ergonomische Formgebung

Die Grifflänge ist abhängig von der Breite der Handfläche. Je breiter die Handfläche, desto länger muss der Griff sein. Im CAD-Modell ist es eine Skalierung in Richtung Z.

Der Griffdurchmesser ist abhängig von der Länge der Hand, die den Griff umgreift. Der Griffdurchmesser ist nicht anderes als eine Skalierung in Richtung XY.

Die Einbuchtungen für die Finger

Die Tiefe hängt davon ab, wie mittelbar die Kraft übertragen werden soll. Sie soll die Haftreibung zwischen Hand und Griff verringern. Die Breite der Einbuchtung wird durch die Breite der Finger beeinflusst. In dem CAD-Modell wird dies durch die Richtung und den Betrag der Anfangs- und Endvektoren der Profilkurven gesteuert.

linke/rechte Hand

eine ganz normale geometrische Spiegelung.

Aufnahme

Die Aufnahme soll sich automatisch an die Oberfläche des Griffes tangential (G1 Stetigkeit) anschmiegen. Sie ist daher abhängig von der gesamten Formgebung des Griffes. Ebenfalls sollte der Fingerdurchmesser einen Einfluss auf den Radius haben, mit dem die beiden Flächen überblendet werden, so dass z.B. der Zeige- und der Mittelfinger bequem zwischen die Griff-Blech-Verbindung passen. Es wurde Abstand davon genommen einen modularen, austauschbaren Griff zu entwickeln, weil durch die starke Dauerbelastung eine hundertprozentige Stabilität gewährleistet sein sollte. Steck- und Klickverbindungen können auf Dauer nachgeben, was beim direkten Formguss oder Verkleben weniger der Fall ist.

Formal-ästhetische und praktische Eigenschaften

Oberflächenstruktur

Das „Surfacemapping“ ist eine Spezialität von Grasshopper. Generative Muster und Rapports lassen sich auf variablen geometrischen Körper projizieren und abbilden. Theoretisch gibt es keine Grenzen bei der Generierung unterschiedlicher Muster. Die erste Iteration enthält einen biomimetischen Versuch, die Struktur der Hautschuppen von Geckos nachzuahmen, um die Haftreibung zu erhöhen.

Namensetikett

Ebenfalls wie die Oberflächenstruktur, lassen sich Name oder Firmenkennzeichen problemlos auf die Fläche übertragen. So kann eine Verwechslung ausgeschlossen werden und die individuelle, emotionale Wertigkeit des Werkzeuges wird gesteigert.

Farbe

Die Farbe lässt sich natürlich einfach im Rendering ändern, aber auch Fertigungstechnisch ist es möglich, den Griff in verschiedenen Farben zu drucken.

Fotos und Rendering

Input - Entwicklung des Interfaces für den Produktkonfigurator

Der funktionale Prototyp ist sehr an die Restriktionen der Grasshopperdefinition, dem Konfigurator von Paramate/Trinckle und meiner technischen Expertise gebunden. Dabei wird durch Paramate die Pipeline im „Back-End“ bereitgestellt, um mit den Javascript Inputs oder Interaktionen, die Parameter in Grasshopper zu beeinflussen und in „Echtzeit“ eine neue Lösung/Output zu generieren, die im WebGL-Renderer angezeigt wird. Der Konfigurator ist recht einfach gehalten und man kann grundlegende Parameter einstellen wie: Farbe, Konkavität, Größe, Verbindungselement/Aufnahme, Spiegelung. Die Mustergenerierung musste leider herausgenommen werden, da die Rechenoperation zu aufwendig war und man zu lange auf ein Ergebnis hätte warten müssen. Die Performanz ist ein entscheidendes Kriterium, da der Nutzer ungern mehrere Sekunden auf das visuelle Ergebnis wartet.

Fazit

Der ergonomische Handgriff ist ein interdisziplinäres, komplexes Problem, dass idealerweise aus einem Team aus Arbeitswissenschaftlern, Entwicklern, Marketingstrategen und dem Designer unter die Lupe genommen wird. Dies garantiert, dass man kaum einen relevanten Aspekt bei der Gestaltung ausgeschlossen hat. Für das Problem des „nicht passenden Griffes“ gibt es mehrere Lösungen, die je nach Zielsetzung richtig sein können oder auf einen Holzweg führen.

• Ökonomisch kann man mit Individualisierung und Mass Customization Wettbewerbsvorteile erzielen.
• Anthropologisch/philosophisch betrachtet, wird der Mensch immer Arbeit verrichten. Der physische oder psychische Schmerz und das Leid werden ein unverzichtbarer Teil von ihr sein.
• Technologisch ist die Entwicklung, ungeachtet des Nutzens und der menschlichen Bedürfnisse, möglich.
• Gesellschaftlich könnte man argumentieren, dass Individualisierung, Selbstentfaltung und die Berücksichtigung der Minderheit postmateriell und demokratisch wäre.
• Ergonomisch weiß man, dass falsch angepasste Griffe zu Verletzungen und Langzeitfolgen führen. Leider fehlt vielen Studien der Realitätsbezug und die Praxisnähe.
• Formal-ästhetisch kann der Kunde zum Mitgestalter „Prosumer“ werden, allerdings sollte die Gestaltungsdomäne von einem Designer, der das Wissen über die ästhetischen Funktionen und Zwecke besitzt, abgesteckt werden.

Danke an

Andy Gebhardt für seine spannenden und informativen Einblicke in einen körperlich anstrengenden und nicht ausreichend geschätzten Handwerksberuf. Trinckle 3D GmbH für den kostenlosen Zugang und Ertesten der Paramate Plattform. Danny Giebitz, der mich tatkräftig beim 3D-Druck/Scan unterstützt hat. Hätte er mich nicht angerufen, wegen einer Frage zum parametrischen Design, hätten wir nicht über den Mehrwert von individualisierten Maurerkellengriffe philosophiert und es wären auch nicht die Kontakte zu Andy und Trinckle entstanden.

Quellen

• [1] Gebhardt, Andy; Giebietz, Danny; Precht, Jasper; 2018: Fragebogen zur Individuellen Maurerkelle mit dem Fliesenleger Andy Gebhardt
• [2] Mital A., Kilbom Å., Kumar S., 2000: Ergonomics Guidelines and Problem Solving (Volume 1), Elsevier Science
• [3] DIN Deutsches Institut für Normung, 2006: DIN 33402-2: Körpermaße des Menschen – Beiblatt 1: Anwendung von Körpermaßen in der Praxis
• [4] Piller, Frank Thomas, 2001: Mass Customization – Ein wettbewerbsstrategisches Konzept im Informationszeitalter, 2. aktualisierte Auflage, Dt. Universitäts-Verlag; Gabler
• [5] Benedikter, Roland: 2001: Postmaterialismus - Band 1: Einführung in das postmaterialistische Denken, 1. Auflage 2001, Passagen Verlag