Rapid Prototyping für Erfindungen

Am Anfang einer Erfindung steht immer die Idee, um entweder ein bestehendes Produkt zu optimieren oder um neue Ideen zu realisieren.

Rapid Prototyping ist der Überbegriff über verschiedene Verfahren zur schnellen Herstellung eines konkreten, dreidimensionalen, physischen Objekt ausgehend von den Konstruktionsdaten. Das Rapid Prototyping eignet sich insbesondere während einer Produktentwicklung. Verschiedene Techniken, abhängig von den zu Grunde liegenden Ausgangswerkstoffen, sammeln sich unter diesem einen Begriff: Kunststoffe werden im selektiven Lasersinter-Verfahren, Metalle mittels selektivem Laserschmelz-Verfahren zu dreidimensionalen voll funktionsfähigen Werkstücken.

Durch das schnelle Ausdrucken von Prototypen wie beim 3-D Druck, lassen sich potenzielle Fehlerquellen und Schwachstellen direkt erkennen, die CAD-Daten können entsprechend angepasst werden und das Produkt damit optimiert. Auf diese Weise erhält man am Ende ein voll funktionsfähiges ausgereiftes Produkt. Mit diesem kann man dann Potentielle Partner, Hersteller oder Lizenznehmer ansprechen. Seit der Erfindung dieser Technologie sind die Produktentwicklung und der Produktlaunch neuer innovativer Produkte viel schneller zu realisieren. Die verkürzten Produktionszeiten bei gleichzeitig geringeren Materialkosten sind wirtschaftlich also ein nicht zu unterschätzender Vorteil.

Bild: FKM Sintertechnik GmbH – Rapid Prototyping

Man kann mit diesem ersten Prototyp direkt seine Partner und  Endkunden ansprechen. Oft werden solche Prototypen auf der Crowdfunding-Plattform Kickstarter platziert und erreichen so den kürzesten Weg zum Markt. Hier soll eine Prototypen-Demonstration den aktuellen Stand eines Produkts wiedergeben und darf keine Computeranimationen oder spezielle Effekte enthalten, die eine Funktion darstellen, die zu diesem Zeitpunkt noch nicht existiert. Für diese Zwecke eignet es sich perfekt das Rapid Prototyping.

Wichtig für die Qualität eines Prototyps, das dem Betrachter helfen soll, die modellierte Wirklichkeit zu verstehen, ist die Maßstabstreue. Als Maßstab bezeichnet man das Verhältnis der Größe des Modells zur Größe des Originals. Welcher Maßstab benutzt wird, hängt vom Anwendungsbereich und dem Zweck des Modells ab.

Die  Rapid Prototyping Verfahren SLS und SLM gehören zu Kernkompetenzen beim Anbieter FKM. Beide Verfahren arbeiten mit der gleichen zugrunde liegenden technologischen Idee. Beides sind Schichtbauverfahren, die ein Objekt oder Werkstück aufbauend herstellen, im Gegenzug zu spanenden Herstellungsprozessen, bei denen Stücke aus einem Block herausgearbeitet werden.

Selektives Lasersintern, kurz (SLS) genannt, ist ein additives Schichtbauverfahren, bei dem die Objekte schichtweise durch das punktgenaue Verschmelzen von speziellen Kunststoffpulvern entstehen. Dank dieses Verfahrens ist auch das Erschaffen komplizierter Geometrien möglich.

Bei Selektiven Laserschmelze Verfahren (SLM),  werden verschiedene Metallpulver ähnlich wie mit Kunststoffen beim selektiven Lasersintern durch ein Schichtbauverfahren zu einem funktionsfähigen Objekt verschmolzen. So entstehen auch Werkstücke mit integrierten Funktionalitäten wie konturnahe Kühlkanäle. Auch filigrane und komplexe Geometrien können im SLM produziert werden.

Bei FKM werden insgesamt 17 verschiedene Materialien beim Rapid Prototyping verwendet. Die Wahl richtet sich nach dem Einsatz des Endproduktes. Ist Zugfestigkeit, Flexibilität, Leichtigkeit oder sind Temperaturbeständigkeit sowie Bruchsicherheit gefordert?

Es war nie leichter eine Erfindung von der Idee in die Wirklichkeit als Prototyp zu realisieren mit Hilfe von Rapid Prototyping Technologie aus Kunststoff und Metall. FKM bietet beim Rapid Prototyping eine interessante Zusatzleistung, die über die reinen Additive Manufacturing-Verfahren hinausgeht: Das Mitdenken im Konstruktionsprozess des Kunden. Auch als Projektpartner.

Der Climeworks CO2-Staubsauger

Das Zürcher Spin-off der ETH hat eine Technologie entwickelt, die das klimaschädliche Kohlendioxid aus der Atmosphäre extrahiert, also die Luft von CO2 reinigt. Mehr noch: Die von Climeworks entwickelte Apparatur kann das gewonnene CO2 auch für industrielle Zwecke nutzbar machen. Aus CO2 und Wasser lässt sich nämlich mit Strom ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff herstellen – das wertvolle Synthesegas. Daraus lassen sich Treibstoffe wie Kerosin, Benzin, Diesel oder Erdgas herstellen. «Unsere Vision ist, CO2 im grossen Stil aus der Luft zu filtern und mittels Sonnen- und Windenergie in synthetischen Treibstoff umzuwandeln», sagt Co-CEO Christoph Gebald. Der Prototyp für den CO2-Staubsauger ist bereits realisiert.

climeworks startup

Technisch ist diese Umwandlung längst möglich, bloss war die Förderung von Erdöl bislang billiger. «Dabei würde ein Liter Synthesetreibstoff einen Liter des kostbaren und zu Neigegehenden Erdöls ersetzen», betont der Maschinenbauingenieur, der vor allem einen Beitrag gegen die drohende Energiekrise leisten will. Kein Wunder stösst die Treibstoffherstellung aus atmosphärischem CO2 bereits auf Interesse «zum Beispiel bei einer grossen deutschen Airline», wie Gebald augenzwinkernd verrät.
Noch kann Climeworks nicht «im grossen Stil» CO2 aus der Luft filtern. Das Unternehmen testet den CO2-Fänger erst mal im Kleinen. Es hat ein Raumluft-Reinigungsgerät entwickelt, welches das CO2, das wir Menschen ausatmen (rund 15 Gramm pro Stunde und Person) aus der Luft filtert. Das Gerät, das auch Staub und Gerüche aus Sitzungsräumen, Büros oder Klassenzimmern absaugt, eigne sich vor allem für alte Gebäude, die über kein geeignetes Lüftungssystem verfügten, erklärt Gebald. Der Verkauf der 0-Serie wird momentan vorbereitet.

Climeworks

Der nächste Schritt ist der Bau einer grösseren Anlage, die der Luft rund 20 Kilogramm CO2 täglich entzieht, etwas mehr als der CO2-Ausstoss der Schweiz pro Tag und Einwohner. Etliche Dutzend dieser Anlagen sollen dereinst auf dem Areal eines grossen Gewächshauses im Kanton Zürich stehen; das Kohlendioxid, das Pflanzen für die Photosynthese benötigen, soll das Wachstum von Gemüse und Früchten fördern. Die Technologie von Climeworks und die Vision der drei ETH-Ingenieure ha ben Richard Branson und Al Gore offensichtlich beeindruckt. «Wir dürfen mit deren Unterstützung und Netzwerk rechnen», sagt Gebald. Beeindruckt von Climeworks sind sie ben ehemalige Gewinner des seit 1987 verliehenen W. A. de Vigier Preises. Anlässlich des 25-Jahre-Jubiläums haben Sie zusammen 100 000 Franken gespendet und damit diesen siebten Förderpreis ermöglicht.

ETH Lausanne Forscher präsentieren den ersten Tastbildschirm

Die Schweizer Forscher der ETH Lausanne haben einen neuartigen Tastbildschirm entwickelt. Fährt der Benutzer mit der Hand über einen solchen Monitor, spürt er in bestimmten Zonen eine Unebenheit. Ein Bild wird so zu einem regelrechten Relief.

«Mit dieser Technologie geben wir dem Benutzer wirklich das Gefühl, eine taktile Oberfläche zu berühren», wird EPFL-Forscher Christophe Winter in einem Communiqué der Hochschule zitiert. Bisherige Bildschirmoberflächen könnten nur mit Bild und Ton auf Berührungen reagieren.

A touchscreen you can really feel
Die neue Erfindung dagegen bringt mit dem Tastsinn eine neue Dimension ins Spiel. Sie eignet sich laut den ETH Lausanne Forschern für Smartphones und Computer aber auch für Geldautomaten. Gerade Menschen mit einer Sehbehinderung könnte die neue Technik den Zugang zu solchen elektronischen Medien erleichtern.

Aber auch für alle anderen könnten Tastbildschirme zum Beispiel die Lektüre von Dokumenten und Internetseiten interessanter gestalten, indem sie die Aufmerksamkeit auf bestimmte Elemente lenken. Und Videospielen verleiht sie vielleicht dereinst eine zusätzliche Dimension.

Die Technik beruht auf einem Material, das bei elektrischer Spannung anfängt zu vibrieren. Diese Vibrationen, deren Intensität die Forscher kontrollieren können, sind zwar für den Menschen nicht wahrnehmbar. Sie schaffen aber eine feine Luftschicht zwischen Finger und Bildschirmoberfläche, die der Benutzer als Relief wahrnimmt.

Vorderhand ist der Tastbildschirm noch ein Prototyp. Die Forscher arbeiten derzeit an verschiedenen Weiterentwicklungen. Sie suchen vor allem nach Lösungen, um die Auswahl und die Feinheit jener Zonen auf dem Monitor zu verbessern, die als Relief erscheinen sollen.

Umweltfreundliche Erfindung filtert Kohlendioxid aus der Luft

Die beiden ETH-Doktoranden Christoph Gebald und Jan Wurzbacher filtern Kohlendioxid aus der Luft – und das umweltfreundlich und emissionsfrei. Der vielversprechende ETH -Spin-off Climeworks GmbH hat auch die Jury des Venture Kick überzeugt und erhält 130’000 Franken.

Sie säubern die Luft von CO2 und könnten unser Energieproblem lösen: die beiden ETH-Doktoranden Christoph Gebald (l.) und Jan Wurzbacher neben ihrem Laborprototyp. (Bild: ETH Zürich)

Sie säubern die Luft von CO2 und könnten unser Energieproblem lösen: die beiden ETH-Doktoranden Christoph Gebald (l.) und Jan Wurzbacher neben ihrem Laborprototyp. (Bild: ETH Zürich)

Theoretisch ist seit langem bekannt, wie man Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Luft abscheiden kann. Doch bisherige Technologien haben den Nachteil, dass sie Unmengen an Energie benötigen. Die zwei Unternehmer und Erfinder haben nun unter der Leitung von Aldo Steinfeld, Professor für Erneuerbare Energieträger an der ETH Zürich, einen Apparat entwickelt, der das CO2 energieeffizienter und solarbetrieben binden und als reinen Rohstoff wieder freigeben kann. Dieser Rohstoff kann wiederum zur Herstellung von synthetischen flüssigen Treibstoffen wie Benzin, Diesel oder Kerosin verwendet werden.

Der Prototyp ihres CO2-Abscheiders hat derzeit noch auf dem Labortisch Platz, und die Energieeffizienz lässt ebenfalls noch zu wünschen übrig. Doch die beiden jungen Forscher blicken mit sehr viel Zuversicht in die Zukunft. Weltweit forschen mindestens noch drei weitere Teams an einem ähnlichen Projekt, doch das ETH-Verfahren hat einen entscheidenden Vorteil: Das Herz der Entwicklung liegt nämlich im Innern; im Filtermaterial, das das CO2 adsorbieren, also aufsaugen kann. Die Entdeckung dieses Materials bringt den ETH-Doktoranden einen entscheidenden Vorsprung in der weltweiten Forschung auf dem Gebiet der CO2-Abscheidung aus der Luft.

Geschlossener Kohlenstoffkreislauf durch CO2-Abscheidung aus der Luft und Synthese von flüssigen Treibstoffen aus CO2 und Wasser mittels Solarenergie. (Bild: Professur für erneuerbare Energieträger / ETH Zürich)

Geschlossener Kohlenstoffkreislauf durch CO2-Abscheidung aus der Luft und Synthese von flüssigen Treibstoffen aus CO2 und Wasser mittels Solarenergie. (Bild: Professur für erneuerbare Energieträger / ETH Zürich)


Entscheidend ist, dass das patentierte Material aus erneuerbaren Rohstoffen besteht und ausserdem sehr kostengünstig produziert werden kann. Hinzu kommt, dass die von Gebald und Wurzbacher entwickelte Technologie mit Niedertemperaturwärme unter 100°C läuft, also sämtliche benötigte Energie mit Hilfe von Solarkollektoren gewonnen werden kann, ohne Erzeugung zusätzlicher Emissionen. Und weil der Apparat das CO2 direkt aus der Umgebungsluft saugen kann, ist er – mit Rücksicht auf die benötigte Sonneneinstrahlung – standortunabhängig einsetzbar.