EnviroTechForge - Forschung & Entwicklungen

 

Hier stelle ich euch Werkzeuge, Entwicklungen und Projekte vor, die im Bereich von EnviroTechForge laufen. In diesem Rahmen bin ich auch an Zusammenarbeiten interessiert und werde Kooperationen mit den entsprechenden Partnern hier vorstellen. 

3D-Druckverfahren


3D-Druckverfahren – Additive Fertigung für den Prototypenbau


Für die schnellere und kostengünstigere Entwicklung von zum Beispiel Gehäusen, Halterungen und komplexen Bauteilen für die EnviroTechForge-Produktentwicklungen wurde sich für das 3D-Druckverfahren bzw. das additive Fertigungsverfahren entschieden. Hierbei werden Materialien in einem dreidimensionalen Raum Schicht für Schicht aufgetragen.


Die Vorteile beim 3D-Druckverfahren sind…


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...umweltfreundliche Aspekte: Ressourcensparender Materialverbrauch, da Materialien aus Vollmaterial mit großen Hohlräumen einen großen Materialverschnitt verursachen würden. Während dem Verfahren werden keine Kühl- und Schmiermittel verwendet, die die Umwelt belasten können. Zudem entstehen keine Emissionen durch Transporte, da das Produkt schnell digital versandt und direkt vor Ort ausgedruckt werden kann.


…technische Aspekte: Man benötigt keinen Maschinenpark von z. B. Bohrmaschinen, Fräsmaschinen, Drehmaschinen und Schleifmaschinen, um eine Fertigung der benötigten Komponenten zu realisieren. Dabei fallen die sogenannten „Zerspanungsverfahren“ weg. Dies spart nicht nur Kosten in der Beschaffung der Maschinen, sondern auch Zeit, da kein Know-How in den verschiedenen Fertigungsverfahren erarbeitet werden muss. Es ist möglich, mit dem 3D-Druckverfahren komplexe und in sich geschlossene Bauteile herzustellen, die mit den reinen Zerspanungsverfahren nicht möglich wären.


…kreaktive Aspekte: Der Entwicklung von Produkten mit dem 3D-Drucker sind kaum Grenzen gesetzt, bzw. in unserem Fall deckt diese komplett unseren Prototypenbau ab. Zudem lassen sich Ideen schnell digital teilen und das Produkt kann überall auf der Welt ausgedruckt und unter realen Bedingung erprobt werden.


Der aktuell größte Nachteil am 3D-Druck ist die Fertigstellungszeit, bis ein Ausdruck hergestellt wird.



Wie wird ein Bauteil mit dem 3D-Drucker hergestellt?


Im ersten Schritt benötigen wir ein dreidimensionales digitales Modell. Dieses kann mit den unterschiedlichsten 3D-Zeichnungsprogrammen hergestellt werden. Dieses Modell kann z. B. in einem STL-Datenformat abgespeichert werden, das zu einem der gängigsten 3D-Datenmodellen gehört.


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Im zweiten Schritt wird diese 3D-Datei mit einem entsprechenden Slicer-Programm, das kompatibel zum 3D-Drucher ist, in ein sogenannten G-Code umgewandelt. Im Slicer-Programm können Bewegungsabläufe, Temperatureinstellungen von Heizbett und Extruder u.v.m. vorgenommen werden, damit der 3D-Drucker das Bauteil möglichst optimal herstellen kann.


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Im dritten Schritt wird der generierte G-Code in die Steuerung des 3D-Drucker überführt. Dies kann z. B. über eine SD-Karte oder über eine Direktverbindung zwischen Slicer und 3D-Drucker erfolgen. Der G-Code ist übrigens lesbar, besonders für gelernte CNC-Programmierer, da dieser dem G-Code aus der CNC-Welt gleicht. Damit ist es z. B. möglich, schnell den Extruder oder die Geschwindigkeit vor dem Druck anzupassen, ohne das Programm mit dem Slicer-Programm neu zu generieren.


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Wie können verschiedene Farben oder Materialien in einem Produkt gedruckt werden?


Es gibt einmal den kompletten „manuellen Filamentwechsel“, bei dem der Drucker bei einem Farb-/Materialwechsel pausiert und der Extruder von Hand ent- und neu beladen wird. Es gibt 3D-Drucker mit mehreren Extrudern, somit können – entsprechend der Extruderanzahl – verschiedene Farben und/oder Materialien gedruckt werden. Hier ist jedoch darauf zu achten, dass die Z-Höhen der Düsen genau referenziert sind. Wir setzen selber auf einen „automatischen Filamentwechsel“, in dem eine Zuführeinheit bis zu fünf verschiedene Materialien vollautomatisch drucken kann. Damit ist es möglich z. B. auch unser mehrfarbiges Logo auf den Produkten abzubilden.



EnviroTechForge - Charger

Die Idee vom EnviroTechForge Universal Charger


Vorwort zur Idee

Im Jahr 2019 hatte ich aufgrund von Klimadebatten und konstruktiven Ideen den Geistesblitz, die Welt zu verändern und einen Universal Charger zu bauen. Dieser Universal Charger sollte kostengünstig und für jeden universell einsetzbar sein. Sprich, ob man kinetische Energie in elektrische Energie umformt, Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelte oder jegliche andere Energiequellen – alles sollte möglich sein. Dabei sollte die Elektronik möglichst einen Wert von 10 € (Marktpreis) nicht übersteigen und das Gehäuse in einem 3D-Drucker ausgedruckt werden können. Unter dem Slogan „Mach es selbst!“ sollte die komplette Elektronik selbst zusammenbaubar sein und zum Beispiel durch Bewegungsenergie beim Fahrradfahren CO2-neutrale Energie gewonnen werden. Der Vorteil liegt nicht nur im Umweltschutz, sondern auch in der kompletten Unabhängigkeit sowie der Motivation zur körperlichen Ertüchtigung. Die Unabhängigkeit ist in meinen Augen auch ein wichtiger Faktor, wenn man zum Beispiel auf Wanderung ist oder an abgelegenen Orten, wo das Aufladen eines Handys Leben retten kann.


Realisierung des Prototyps

Im ersten Schritt überlegte ich mir mit meinem grundlegenden Elektronikwissen, welche Komponenten zur Realisierung dieser Idee infrage kämen. Dabei stellte sich mir zunächst die Frage, welche Energiequellen zu verarbeiten wären. Hierbei spielten Wechselspannung, die durch ein Dynamoprinzip entstehen kann, und Gleichspannung, die wiederum aus Solarenergie gewonnen werden kann, eine große Rolle. Dadurch musste in der Schaltung unter anderem ein Gleichrichter berücksichtigt werden, damit wir immer eine Gleichspannung erhalten.


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Das nächste Bauteil war der Kondensator, um aus der Wechselspannung eine möglichst gut geglättete Gleichspannung zu erhalten.


Die nächste Herausforderung war der Spannungsarbeitsbereich des Eingangs, dieser sollte zwischen 3 und 12 Volt liegen. Bei einem Fahrraddynamo liegt die Spannung bei einer geringen Geschwindigkeit von 5-6 km/h (Schrittgeschwindigkeit) unter 5 Volt, muss diese hochtransformiert werden. Die gewünschte Ausgangspannung sollte aber bei 5 Volt liegen, da sich damit verschiedene Elektrokleingeräte (Smartphone, Wearables, MP3-Player, Bluetooth-Kopfhörer, Powerbanks, IoT-Devices usw.) versorgen.


Sogenannte STEP-DOWN / STEP-UP-Converter sind spezielle Halbleiterbauteile mit Energiespeichern, die bei der Umwandlung in verschiedenen Spannungsbereichen sehr hohe Energieeffizienzwerte haben. Dieses spezielle Bauteil hat heutzutage einen Wirkungsgrad von bis zu 90 % (und mehr). Der Festspannungsregler bietet bei kleinen Spannungsunterschieden auch eine Alternative, jedoch haben wir in unserem Fall höhere Spannungsunterschiede im Eingangsbereich zum Ausgangsbereich. Der Festspannungsregler wandelt die überschüssige Energie in Wärme um, somit kann der Wirkungsgrad zwischen 70 % bis zu 90 % liegen.



Optimierung des Prototyps

Da ich aufgrund der SMD-Technologie (SMD steht für Surface Mounted Device und bezeichnet die besonders kompakten Elektrobauteile) immer mehr an meine Grenzen kam, lag der Entschluss nahe, einen Fachmann im Bereich Halbleiter-Konstruktion einzubinden. Dazu recherchierte ich im Internet nach verschiedenen Firmen, die auch eine Anbindung zu Halbleiterfertigungsunternehmen haben. Dabei kam es zu einer schnellen Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Zuber aus Nordrhein-Westfalen. Ich bin sehr zufrieden mit der Zusammenarbeit und den daraus erworbenen neuen Erkenntnissen. Herr Zuber besprach jedes Bauteil mit mir, das auf die Halbleiterplatine aufzubringen war. Hierbei war die Kostenbetrachtung ein wichtiger Faktor und die effektive Platzverteilung, um das Bauteil möglichst kompakt und klein zu halten. Herr Zuber machte neben der Entwicklung der Schaltpläne auch den Prototypenbau und die damit verbundenen Laboranalysen unter Belastung. Im nächsten Schritt wurde ein Verbraucher mit einem möglichst geringen Widerstand an die Ausgangsseite angeschlossen, damit ein möglichst hoher Strom über die Halbleiterplatine fließen konnte. Danach wurde die Effizienz und die Wärmentwicklung analysiert. Es wurde auch die Betrachtung zwischen Gleichspannung und verschiedenen Wechselspannungsfrequenzen ermittelt. Da die Ergebnisse im Laborversuch vielversprechend waren, wurden 5 Prototypen in Auftrag gegeben. Dabei lagen die Kosten zu dem Zeitpunkt bei 38 € pro Aufbau (Handarbeit). Bei einer automatisierten Massenfertigung würde der Preis bei einer gewissen Abnahmemenge erheblich sinken und das Ziel, die Technologie preiswert anzubieten, wäre erfüllt.


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Suche nach Kooperationspartner

Daher war die nächste Überlegung, eine Firma zu finden, die diesen Prototypen in Kooperation noch kostengünstiger weiterentwickelt und produziert. Dafür stellten Herr Zuber und ich einen vorführbaren Prototyp für die Messe „Embedded World 2020“ in Nürnberg bereit.


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Auf der Embedded World lernte ich einige Firmen kennen, die sehr interessante Lösungen zur Verfügung stellten. Eine davon ist die Firma E-Peas aus Belgien, die in meinen Augen eine wirklich sehr Innovative Lösung im Bereich umweltfreundliche Mikrocontroller & drahtlose Geräte anstrebt. Dabei stehen unbegrenzte Batterielebensdauer und die Senkung des Energieverbrauchs im Fokus.


Eine weitere Firma, die ich auf der Messe zum ersten Mal kennenlernte, war die Firma PYTEC Messtechnik aus Mainz. Es entstand ein reger Austausch zwischen Herrn Heger (Head of Custom Product Development), Herrn Podolski (Development) und mir. Diese Firma ist auch sehr aktiv im LowPower-Mikrocontrollerbereich. Da ich selbst aus dem Raum Mainz komme, war dies in meinen Augen der ideale Partner für eine Kooperation. Das Know-how in der Technologie und die Fertigungskapazitäten direkt in Amerika, Europa & Asien von PYTEC sind wirklich beeindruckend. Jedoch musste ich nach einiger Zeit einsehen, dass die Kosten für Optimierung und die Produkthaftung für mich als Privatperson nicht tragbar waren. Dies führte dazu, diese Idee zunächst auf Eis zu legen.


Auch heute verfolge ich weiterhin diese Idee, einen kleinen Beitrag zu umweltfreundlicherer und unabhängigerer Stromgewinnung zu leisten. Ich habe mir im Dezember 2020 ein Jobrad geholt mit einem Charging-Modul, mit dem man die Energie des Dynamos zur Speisung von Smartphones oder einer Powerbank nutzen kann. Hier werde ich In Zukunft noch einen kleinen Bericht schreiben, wie effektiv diese Technologie ist. In dem Fahrradladen „WILDWECHSEL“ in Mainz bekam ich eine ausführliche Erklärung, wie die Technologie funktioniert. Dabei war interessant zu wissen, dass, sobald das Fahrradlicht an ist, die Charging-Funktion automatisch deaktiviert werden muss, damit das Fahrradlicht in all seiner Pracht leuchten kann. Diese Funktion ist vom Gesetzgeber vorgeschrieben und wäre in meinem Universal Charger nicht inbegriffen gewesen. So sieht man, dass man überall dazulernen kann.


Ausblick

In Zukunft würde ich mich freuen, mit weiteren interessierten Menschen im Austausch zu stehen und gemeinsam an Lösungen zu arbeiten bzw. Ideen hier vorstellen zu dürfen. Der wichtigste Punkt ist für mich, dass die Leidenschaft hinter den Ideen und der Wille, in der Welt was zu bewegen, größer ist als der Wunsch nach Reichtum. In meinen Augen sind Leidenschaft und Interesse am Umweltschutz die größten Antreiber, solche Ideen umzusetzen.


Ich möchte mich an der Stelle bei allen Menschen und Unternehmen bedanken, die mich bei diesem Abenteuer begleitet haben und begleiten werden. Ein großes Dankeschön an der Stelle auch an Herr Zuber für das Teilen seine langjährlichen Berufserfahrungen und Entwicklung der Platine.


Viele Grüße

Andreas



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