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Kooperationsprojekte

Collux ZIM-Projektförderung

Bis Ende 2020 haben wir gemein­sam mit dem Lehr­stuhl für tech­ni­sche Che­mie der Uni­ver­si­tät Duisburg-Essen und der Fir­ma Cry­Las GmbH aus Ber­lin ein Koope­ra­ti­ons­pro­jekt durchgeführt.

Die­ses Vor­ha­ben wur­de vom Zen­tra­len Inno­va­ti­ons­pro­gramm Mit­tel­stand (ZIM) geför­dert. Das ZIM ist ein bun­des­wei­tes, technologie- und bran­chen­of­fe­nes För­der­pro­gramm, bei dem die Inno­va­ti­ons­kraft und damit die Wett­be­werbs­fä­hig­keit mit­tel­stän­di­scher Unter­neh­men nach­hal­tig gestärkt wer­den soll. Wesent­lich für eine Bewil­li­gung sind der tech­no­lo­gi­sche Inno­va­ti­ons­ge­halt sowie gute Markt­chan­cen der geför­der­ten FuE-Projekte (https://www.zim.de/ZIM/Redaktion/DE/Artikel/ueber-zim.html).

Bis Ende 2020 haben wir gemein­sam mit dem Lehr­stuhl für tech­ni­sche Che­mie der Uni­ver­si­tät Duisburg-Essen und der Fir­ma Cry­Las GmbH aus Ber­lin ein Koope­ra­ti­ons­pro­jekt durchgeführt.

Die­ses Vor­ha­ben wur­de vom Zen­tra­len Inno­va­ti­ons­pro­gramm Mit­tel­stand (ZIM) geför­dert. Das ZIM ist ein bun­des­wei­tes, technologie- und bran­chen­of­fe­nes För­der­pro­gramm, bei dem die Inno­va­ti­ons­kraft und damit die Wett­be­werbs­fä­hig­keit mit­tel­stän­di­scher Unter­neh­men nach­hal­tig gestärkt wer­den soll. Wesent­lich für eine Bewil­li­gung sind der tech­no­lo­gi­sche Inno­va­ti­ons­ge­halt sowie gute Markt­chan­cen der geför­der­ten FuE-Projekte (https://www.zim.de/ZIM/Redaktion/DE/Artikel/ueber-zim.html).

Ziel des drei­jäh­ri­gen Koope­ra­ti­ons­pro­jek­tes war es, einen mög­lichst kom­pak­ten und wirt­schaft­lich attrak­ti­ven Auto­ma­ten zur Erstel­lung von Metallna­no­par­ti­kel­kol­lo­iden zu entwickeln.

Kol­lo­ida­le Nano­par­ti­kel sind win­zi­ge Teil­chen, die sehr fein ver­teilt in Was­ser oder ande­ren Lösungs­mit­teln vor­lie­gen. Aus der Ober­flä­che eines Fest­kör­pers wer­den, mit Hil­fe eines Laser­strahls, kleins­te Tei­le ver­dampft und in einem flüs­si­gen Medi­um gebun­den. Sie sind nor­ma­ler­wei­se sehr teu­er: So kos­ten Gold-Nanopartikel etwa 300-mal mehr als das rei­ne Edel­me­tall in glei­cher Men­ge am Stück. Es gibt nahe zu kei­ne Berei­che der Indus­trie und For­schung, in dem Nano­tech­no­lo­gie nicht ver­wen­det wird. Die Ein­satz­ge­bie­te rei­chen von der Che­mie und Werk­stoff­tech­nik über die Bio­tech­no­lo­gie, Phar­ma­zie und Medi­zin­tech­nik bis hin zur Ener­gie­ge­win­nung, Ener­gie­spei­che­rung und zum Umweltschutz.

Eine Aus­grün­dung des Pro­jekt­er­geb­nis­ses wur­de von Beginn an ange­strebt. So konn­te der Wis­sens­trans­fer aus dem uni­ver­si­tä­ren Umfeld hin­ein in die Indus­trie sicher­ge­stellt wer­den. Durch die, letzt­end­lich zum Patent ange­mel­de­te, Ent­wick­lung und die erfolg­rei­che Zusam­men­ar­beit rück­te das Vor­ha­ben immer mehr in greif­ba­re Nähe. Ziel ist die Aus­grün­dung Anfang 2022 (https://www.uni-due.de/2020-06-29-nanopartikel-auf-knopfdruck).

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Aufteilung der Arbeitsbereiche

Die Fir­ma Cry­LaS GmbH war mit der Aus­wahl eines pas­sen­den Laser­sys­tems sowie der Aus­ar­bei­tung des elek­tri­schen Sys­tems befasst, wäh­rend die Uni­ver­si­tät Duisburg-Essen mit den pro­zess­tech­ni­schen Grund­la­gen und der Gesamt­in­te­gra­ti­on des Auto­ma­ten betraut war.
Unser Auf­ga­ben­feld umfass­te die Produkt-/ Design­ent­wick­lung, die Gerä­te­er­go­no­mie, die Gehäu­se­kon­struk­ti­on und Indus­tria­li­sie­rung des Pro­to­ty­pen sowie die Präsentationserstellung.

Das Lastenheft

Im August 2018 star­te­ten wir das Pro­jekt mit einer umfas­sen­den Markt- und Umfeld­ana­ly­se. Als Grund­stein der Pro­dukt­ent­wick­lung konn­ten wir die Anfor­de­run­gen an das Gerät mit den Pro­jekt­part­nern erar­bei­ten und fass­ten die Ergeb­nis­se in einem gemein­sa­men Las­ten­heft zusam­men. Die­ses umfass­te sowohl ergo­no­mi­sche Ansprü­che, for­ma­le Kri­te­ri­en, Gege­ben­hei­ten des Umfel­des als auch Anfor­de­run­gen an die Tech­nik und das Ver­fah­ren sowie an die Her­stell­bar­keit und die Produktionskosten.

So soll­te der Auto­mat ergo­no­misch und intui­tiv zu bedie­nen sein. Dies bezog sich sowohl auf Aspek­te der manu­el­len Bedie­nung als auch auf die Bedie­nung über ein digi­ta­les Inter­face. Die­ses Inter­face soll­te den Benutzer/ die Benut­ze­rin mög­lichst selbst­er­klä­rend durch die Bedie­nung und die ein­zel­nen Menü­schrit­te füh­ren.
Zwar soll­te eine seman­ti­sche Anleh­nung an ver­wand­te Gerä­te aus dem Labor­um­feld statt­fin­den, jedoch soll­ten die tech­ni­schen Pro­dukt­in­no­va­tio­nen nach außen hin sicht­bar wer­den und sich als Neu­heit von ande­ren benach­bar­ten Gerä­ten im Labor­um­feld abhe­ben. Da Labor­ge­rä­te in der Regel über lan­ge Pro­dukt­zy­klen bestehen blei­ben, wur­de ein mög­lichst zeit­lo­ses Design und eine kor­rek­te und all­ge­mein gül­ti­ge Ver­wen­dung von Pro­dukt­se­man­tik ange­strebt.
Die Gestal­tung muss­te unter Berück­sich­ti­gung einer zum Markt­ein­tritt klei­ne­ren Serie erfolgen.

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Projektablauf

In der ers­ten Arbeits­pha­se war es not­wen­dig, die Rah­men­be­din­gun­gen des Pro­jek­tes genau zu defi­nie­ren. Rela­tiv ein­deu­tig zu benen­nen waren hier die äuße­ren Abmes­sun­gen des Gerä­te­ge­häu­ses, die an die Gege­ben­hei­ten des Umfelds ange­passt wur­den. Kom­pakt­heit ist als eines der pri­mä­ren Zie­le der Pro­dukt­ent­wick­lung defi­niert wor­den, da der Platz auf den Arbeits­ti­schen in den Labo­ren begrenzt ist und oft­mals meh­re­re Gerä­te neben­ein­an­der Platz fin­den müs­sen. Dadurch erga­ben sich maxi­ma­le Abmes­sun­gen in Tie­fe und Höhe. Ein Brei­ten­maß wur­de vor­erst nicht fest­ge­legt. Grund­sätz­lich galt jedoch, den Foot­print des Gerä­tes so schmal wie mög­lich zu halten.

Par­al­lel hier­zu erar­bei­te­te das Team der Uni­ver­si­tät und die Fir­ma Cry­LaS ein ers­tes mög­li­ches Tech­nik­pa­ket, bestehend aus Optik- und Elek­tronik­kom­po­nen­ten, wel­ches die Min­dest­ma­ße des Gehäu­ses defi­nier­te. Für den Auf­bau des Auto­ma­ten galt: je kom­pak­ter das Gehäu­se, des­to kos­ten­güns­ti­ger und inte­grier­ba­rer ist das Gerät bei der Fer­ti­gung und im Einsatz.

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Es wur­de fest­ge­legt, dass die Nano­kol­lo­ide in einer mög­lichst hohen Rein­heit erzeugt wer­den sol­len. Aus­gangs­ma­te­ria­li­en soll­ten zum einen drei Edel­me­tal­le (Gold, Sil­ber und Pla­tin) und zum ande­ren ein Kol­lo­id­me­di­um (Flu­id) sein.

So brauch­ten wir sowohl eine wech­sel­ba­re Mate­ri­al­kas­set­te als auch drei Flüs­sig­keits­be­häl­ter, denn neben dem Flu­id benö­tig­ten wir zusätz­lich ein Gefäß für die Flüs­sig­keit zum Spü­len des Sys­tems sowie eine Sta­bi­li­sa­to­ren­lö­sung.
Dar­über hin­aus wur­de eine Abga­be­men­ge als Maß für das ange­dach­te Auf­fang­ge­fäß definiert.

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Wäh­rend die Uni­ver­si­tät Duisburg-Essen und Cry­Las diver­se Ver­suchs­rei­hen bezüg­lich der Ermitt­lung von Vor­aus­set­zun­gen für eine opti­ma­le Pro­duk­ti­vi­tät der Abla­ti­on (Pro­zess der Kol­lo­ider­stel­lung) durch­führ­ten, erstell­ten wir, auf Basis der zu dem Zeit­punkt bekann­ten Eck­da­ten, ers­te Ergonomie- und Topologiekonzepte.

Hier­für galt es zuvor die Fra­gen zu beant­wor­ten, wel­che Funk­tio­nen der Auto­mat hat und wel­che Anfor­de­run­gen im Span­nungs­feld von Nut­zen­den, Umge­bung und Tech­nik erfüllt wer­den müssen.

Fol­gen­de The­men­be­rei­che konn­ten durch die sche­ma­ti­sche Zeich­nung des Nano­voll­au­to­ma­ten defi­niert werden:

  • Fluid-Zufuhr
  • Tar­get
  • User Inter­face
  • Auf­fang­ge­fäß
  • inne­re Funktionsweise
  • Gehäu­se­kon­struk­ti­on.

Auf die­se Wei­se konn­te ermit­telt wer­den, wel­che Fak­to­ren gesetzt waren und für wel­che Teil­be­rei­che neue Kon­zep­te benö­tigt wurden.

Unter­stüt­zend hier­zu erstell­ten wir eine Pro­zess­ma­trix. Anhand des Plans waren wir in der Lage, nicht nur einen detail­lier­ten Hand­lungs­ab­lauf des Nut­zen­den zu simu­lie­ren, son­dern auch Schwach­stel­len und mög­li­che Gefah­ren­po­ten­zia­le im Pro­zess offenzulegen.

Um eine gute Gerä­te­er­go­no­mie sicher­zu­stel­len, lag ein beson­de­rer Schwer­punkt auf der Unter­su­chung der Inter­ak­ti­ons­stel­len zwi­schen Mensch und Gerät. Als Erkennt­nis dar­aus konn­ten wir Akti­ons­be­rei­che fest­le­gen. Die­se umfas­sen die Bedie­nung durch das digi­ta­le Inter­face, das Befül­len und Aus­wech­seln der Flu­id­tanks, das Ein­set­zen bzw. der Tausch der Tar­get­ge­häu­se und die Ent­nah­me des fer­ti­gen Edelmetallkolloids.

prozessmatrix_nanovollautomat_design_projekter
globalkonzepte_design

Mit­hil­fe von Ana­lo­gien, zum Bei­spiel der Aus­wurf­me­cha­nik einer his­to­ri­schen Nin­ten­do 64 Kon­so­le, die wir in den Gerä­te­kon­text über­tru­gen, konn­ten ein­fa­che und robus­te Bedien­kon­zep­te erar­bei­tet werden.

Um Ergo­no­mie und Funk­ti­on zu über­prü­fen, fer­tig­ten wir Mock­ups von drei favo­ri­sier­ten Auf­bau­va­ri­an­ten an. In die­sem frü­hen Sta­di­um des Pro­zes­ses und bei der Erar­bei­tung die­ser Ergonomie-Konzepte spiel­te das „Design“ im Sin­ne einer ästhe­ti­schen, äuße­ren Gestal­tung noch kei­ne Rol­le. Es ist wich­tig, dass zunächst die Funk­tio­na­li­tät eines Gerä­tes gewähr­leis­tet ist, um im Anschluss die Ästhe­tik auf die Funk­ti­on abzustimmen.

Die ent­stan­de­nen Model­le lie­ßen wir im Pro­dukt­um­feld von poten­zi­el­len Anwen­dern und Anwen­de­rin­nen über eine län­ge­re Zeit tes­ten und kom­men­tie­ren. So konn­ten wir durch frü­he Test­pha­sen Feh­ler kor­ri­gie­ren und sicher­stel­len, dass unse­re Kon­zep­te im Feld­ver­such funktionierten.

Unse­re Werkstatt-Infrastruktur erwies sich auch in die­sem Pro­jekt als not­wen­dig und hilf­reich. Wir ent­wi­ckel­ten eine ent­nehm­ba­re Mate­ri­al­kas­set­te, die wir in unse­rem haus­ei­ge­nen 3D-Labor mit­tels 3D-Druck anfer­tig­ten. Die­se stell­ten wir der Uni­ver­si­tät zur Ver­fü­gung, sodass die Kas­set­te in den Ver­suchs­rei­hen auf Funk­ti­on und Dicht­heit geprüft wer­den und in Ver­bin­dung, mit der eben­falls von uns ent­wi­ckel­ten Aus­wurf­me­cha­nik getes­tet wer­den konnte.

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Wie können wir uns das Gehäuse vorstellen?“

Im nächs­ten Schritt began­nen wir mit der Gestal­tung und tech­ni­schen Umset­zung des Auto­ma­ten­ge­häu­ses. Ein wich­ti­ger Schritt, denn wir hat­ten bis­her nur ein Kon­zept und durch die Pro­to­ty­pen eine Idee davon, wie der Auf­bau wer­den wür­de. Wie aus den schwar­zen Papp-Kästen ein ech­tes Gerät wer­den soll­te, konn­ten sich die Pro­jekt­part­ner zunächst nur schwer vor­stel­len. Was wir brauch­ten war eine pas­sen­de Visua­li­sie­rung. Neben den vie­len Kom­pe­ten­zen ist die Fähig­keit des Desi­gners, aus Ideen ech­te Pro­duk­te wer­den zu las­sen, die entscheidende.

Wir ent­wi­ckel­ten eine Gestal­tung des Auto­ma­ten, die ästhe­tisch war, den ergo­no­mi­schen Erkennt­nis­sen fol­gend, allen Sicher­heits­an­for­de­run­gen genü­gend und ent­spre­chend der Fer­ti­gungs­me­tho­de ein­fach umzu­set­zen war.

Die in Klein­se­rie ange­setz­te Stück­zahl von 20-500 Stück, ver­lang­te Fer­ti­gungs­me­tho­den ohne teu­ren Formen- oder Vor­rich­tungs­bau. Hier wur­de ein­mal mehr deut­lich, dass selbst unter gro­ßen Ein­schrän­kun­gen bezüg­lich der Fer­ti­gungs­mög­lich­kei­ten kei­ne Abstri­che im Design not­wen­dig sind. Da wir in der Ver­gan­gen­heit bereits erfolg­reich an Pro­jek­ten mit ver­gleich­ba­ren Fra­ge­stel­lun­gen gear­bei­tet haben, konn­ten wir aus unse­ren Erfah­run­gen im Bereich Gestal­tung mit Blechbiege- und Kant­tei­len schöpfen.

Unter Berück­sich­ti­gung des Anfor­de­rungs­ka­ta­lo­ges ent­stan­den zwei Design-Varianten. Eine Vari­an­te über­zeug­te durch ihre mini­ma­le Stell­flä­che, wohin­ge­gen die ande­re Vari­an­te die fron­ta­le Bedie­nung als zen­tra­les Merk­mal der Gestal­tung zu Grun­de lag.
Die­se wur­den in einem Pro­jekt­tref­fen vor­ge­stellt und dis­ku­tiert. Haupt­un­ter­schied besteht in der Ver­or­tung der bei­den Flu­id­be­häl­ter. Die Vari­an­te „easy front Access“ über­zeug­te alle Pro­jekt­part­ner ein­stim­mig in Hand­ha­bung und Gestaltungpotentialen.

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Iterationsschleifen gehören für uns zum Alltag

Da das bis dato ver­wen­de­te Laser­sys­tem nicht die gewünsch­te Leis­tung erziel­te und das Gerät in die­ser Kon­fi­gu­ra­ti­on auf dem Markt nicht aus­rei­chend wett­be­werbs­fä­hig gewe­sen wäre, muss­te eine stär­ke­re Laser­strahl­quel­le ein­ge­setzt und erneut getes­tet wer­den. Das alter­na­ti­ve Laser­sys­tem erbrach­te schließ­lich die gewünsch­te Pro­duk­ti­vi­tät. In der Kon­se­quenz muss­te die Gerä­te­to­po­lo­gie über­ar­bei­tet und somit auch das Design bzw. das CAD dem neu­en, grö­ße­ren Bau­raum der Tech­nik ange­passt werden.

Kor­rek­tur­schlei­fen gehö­ren zum Ent­wick­lungs­pro­zess dazu und sind in frü­hen Pha­sen wert­voll, da hier noch die Mög­lich­keit besteht, sie ohne gro­ße Kos­ten umzu­set­zen. Die­se Art der Anpas­sun­gen und Opti­mie­run­gen gehö­ren auch in ande­ren Pro­jek­ten zu unse­rem Tagesgeschäft.

Ins­be­son­de­re der Aspekt einer mög­li­chen Ska­lie­rung, der bereits bei der Bewer­tung der bei­den Design­va­ri­an­ten dis­ku­tiert wur­de, erwies sich nun als gro­ßer Vor­teil.
So war die Anpas­sung umsetz­bar, ohne den Cha­rak­ter und den ursprüng­li­chen Design­ge­dan­ken des Auto­ma­ten zu ändern.

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Prototypenbau

Unser fina­les Arbeits­pa­ket bestand dar­in, das erar­bei­te­te Design in unse­rer Pro­to­ty­pen­werk­statt umzu­set­zen. Es wur­de in der Pla­nung und Kon­struk­ti­on dar­auf geach­tet, dass das Gehäu­se im Pro­to­ty­pen­sta­di­um zu 100% zurück gebaut wer­den kann, um even­tu­el­le Ände­run­gen im Nach­hin­ein vor­neh­men zu kön­nen. So wur­de bei­spiels­wei­se an Stel­le von dau­er­haf­ten Schweiß­ver­bin­dun­gen vor­erst auf Ver­schrau­bun­gen der Gehäu­se­tei­le gesetzt. Spä­ter, in der Seri­en­fer­ti­gung, kön­nen diver­se Schraub­ver­bin­dun­gen durch Schweiß­stel­len ersetzt wer­den, wodurch der Mon­ta­ge­auf­wand und die Pro­duk­ti­ons­kos­ten wei­ter redu­ziert wer­den. Nach Erhalt der extern gefer­tig­ten Gehäu­se­tei­le, wel­che zuvor von uns in CAD kon­stru­iert wur­den, konn­ten wir mit der Mon­ta­ge des funk­ti­ons­fä­hi­gen Pro­to­ty­pen star­ten. Aus Blechbiege- und Kant­tei­len, Fräs­tei­len , Schrau­ben und 3D-Druck-Teilen , durch Lackie­ren, Mon­ta­ge und Bekle­bung mit Pro­dukt­gra­fik ent­stan­den Schritt für Schritt die ers­ten zwei Nano-Vollautomaten.

Den Abschluss des Pro­jek­tes bil­de­te das Ein­set­zen der Mon­ta­ge­plat­te mit dem Laser­sys­tem und der Ver­bin­dung von Gehäu­se und Technik­ein­heit.
Das Ergeb­nis sind zwei funk­ti­ons­fä­hi­ge Pro­to­ty­pen, die, wie ange­dacht, zur Prä­sen­ta­ti­on der Pro­jekt­idee auf Mes­sen oder ähn­li­chen Ver­an­stal­tun­gen und für ers­te Feld­tests ein­ge­setzt wer­den können.

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Das Ergebnis

Das durch das ZIM geför­der­te Koope­ra­ti­ons­pro­jekt ist ein gutes Bei­spiel, wie inter­dis­zi­pli­nä­re Koope­ra­ti­on funk­tio­nie­ren kann und wel­chen zen­tra­len Anteil Industrial-Designer leis­ten kön­nen. Das Vor­ha­ben, ein kom­pak­tes und wirt­schaft­lich attrak­ti­ves Desk­top­ge­rät zur Erstel­lung von Metallna­no­par­ti­kel­kol­lo­iden zu ent­wi­ckeln, wur­de erfüllt. Ent­schei­dend war die enge Zusam­men­ar­beit, sodass ein reger Infor­ma­ti­ons­fluss auf­recht erhal­ten wer­den konn­te und man sich gegen­sei­tig mit den jewei­li­gen Kom­pe­ten­zen unter­stütz­te.
Wir erach­ten den Trans­fer von Wis­sen und inno­va­ti­ven For­schungs­er­geb­nis­sen aus den aka­de­mi­schen Berei­chen in die Indus­trie als beson­ders wich­tig. Des­halb sind wir stolz, Teil der Koope­ra­ti­on sein zu kön­nen und als Inno­va­ti­ons­trei­ber und umset­zungs­ori­en­tier­te Part­ner, Ideen wirt­schaft­lich in den Markt zu brin­gen. Wir hal­fen nicht nur bei der Form­fin­dung des Auto­ma­ten­ge­häu­ses und des­sen Ergo­no­mie, son­dern leis­te­ten auch bei der Pro­zess­op­ti­mie­rung zur Erstel­lung des Kol­lo­ides unse­ren Beitrag.

Das erklär­te Ziel der Aus­grün­dung ist für das Jahr 2022 geplant.
Hier­für wün­schen wir viel Erfolg und freu­en uns, dass wir das jun­ge Start-Up auch wei­ter­hin als Design- und Ent­wick­lungs­part­ner beglei­ten werden.