Arbeit Entwicklungsprojekt 2019
Kunde Olin Bartlome
Unterwegs mit nachhaltiger Wohnkabine
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Ziel des Projektes war eine Wohnkabine aus Holzwerkstoffen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aufbauten für Expeditionsfahrzeuge soll dieser leichter und nachhaltiger sein. Der entstandene Prototyp dient mit seinem einzigartigen Design als Eyecatcher und macht auf die Möglichkeiten der Holzwirtschaft aufmerksam. Das bewusste Sichtbarmachen des Werkstoffs
Holz kommuniziert die innovativ eingesetzten Materialien und Verarbeitungstechniken. So wurden zum Beispiel für die Seitenwände ein eigener Verbundwerkstoff entwickelt, Wetterschutz bietet imprägniertes Flugzeugsperrholz. In Zusammenarbeit mit dem Kunden, arbeitete das ZPP am Design der Wohnkabine und an der konstruktiven Umsetzung des Klappdachs.
Arbeit KTI Forschungsprojekt 2016-2020
Kunde Arcolor AG
Hochgeschwindigkeits-Kugelmühle
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die Nassmahlung von Pigmentpartikeln ist je nach gewünschtem Mahlgrad ein sehr energieintensiver und langwieriger Prozess. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE, ZHAW, Prof. Dr. M. Weber Sutter; Dr. B. Ouriev) und der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR, Prof. Dr. Henrik Nordborg) wurde eine Hochgeschwindigkeit-Kugelmühle mit verbesserter Mahltechnologie zur effizienten Herstellung hochwertiger Druckfarben entwickelt. Entwicklungsziel war, bei vorgegebener Feinheit und Einheitlichkeit der zu erreichenden Korngrössenverteilungen mit weniger Ressourcen, vor allem aber mit verschleissärmeren und kompakteren Apparaten und kürzeren Belegzeiten auszukommen. Das Funktionsprinzip basiert auf einer Überlagerung von Rotation und Vibration. Die Rotationsbewegungen werden durch Spindelmotoren erzeugt. Die Einleitung der hochfrequenten linearen Bewe-
gung erfolgt durch einen Magnetantrieb. Durch die Überlagerung lassen sich eine deutlich engere Korngrössenverteilung und feinere Partikel erzielen. Im Weiteren bildet sich ein Gleitfilm in der Nähe der Wände im Mahlraum aus, was sich positiv auf die Verschleissfestigkeit der Anlage auswirkt. Diese wird durch die Verwendung hochwertiger Werkstoffe und tribotechnischer Beschichtungen zusätzlich begünstigt. Der Mahlraum besteht aus mehreren Zonen mit unterschiedlich grossen Mahlperlen. Somit können mehrere Passagen in einem Durchgang durchgeführt werden, was zu deutlich verkürzten Prozesszeiten führt. Erste Vergleiche mit etablierten industriellen Mühlen zeigen, dass für vergleichbare Zerkleinerungserfolge Energieeinsparungen bis 30 % erreicht werden können. Hochgeschwindigkeits-Kugelmühle mit geschlossener Sicherheits-Abdeckung
Arbeit Forschungs- und Entwicklungsprojekt
Anwendungsbereich Geräte- und Apparatebau
Extruderventil mit integrierter Kühlung für FDM-Drucker
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Extruderventil mit integrierter Kühlung für einen FDM-3D-Drucker steigert Filamentdurchsatz und somit Druckgeschwindigkeit und Qualität des Druckprozesses. Entwicklungsziel war, einen Druckkopf (Extruderventil) für einen FDM-3D-Drucker auf Durchsatz und Druckgeschwindigkeit hin zu optimieren. Der verwendete Ansatz zielt auf eine optimierte Abgrenzung zwischen heissem Aufschmelzbereich und kühlem Zuführbereich des Filaments
Extruderventil 1
innerhalb des Druckkopfes ab. Das heisst, der Bereich, in welchem das zugeführte Filament aufgeschmolzen wird, soll thermisch möglichst scharf vom kühlen Zuführbereich abgegrenzt werden. So wird verhindert, dass das Filament sich schon beim Zuführen erwärmt und weich wird. Die damit erhaltene Steifigkeit und Härte des Filaments sorgt für eine höhere Zuführgeschwindigkeit und für bessere Druckverhältnisse innerhalb des Schmelzbereiches in der Düse.
Extruderventil 2
Arbeit Projektarbeit Machbarkeitsstudie
Kunde KAPAG Karton und Papier AG
SmartBoard - Intelligenter Karton
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die Machbarkeitsstudie prüfte die Fragestellung: Wie wirken sich hohe Prozessgeschwindigkeiten eines Papierbandes auf die Applikationsgenauigkeit beim Etikettieren aus? Das Ziel war es herauszufinden, welche Parameter in welchem Masse Einfluss auf die Genauigkeit nehmen und welche Genauigkeit im besten Fall erreicht werden kann. Es wurde ein Testaufbau konzipiert, aufgebaut und für die Untersuchungen der Applikationsgenauigkeit verwendet. Die Versuche wurden am ZPP durchgeführt.
Testaufbau
Zusammenfassend kann folgende Schlussfolgerung gezogen werden: Den grössten Einfluss auf die Genauigkeit haben Einstellung bzw. Ausrichtung der Spendekante (auch Ablösekante) des Dispensers. Als sensibelste Prozessparameter konnten hierbei der Winkel mit welchem das Etikett auf das Band auftrifft und die Länge des zu diesem Zeitpunkt vom Trägerband abstehenden Etikettenteils, ermittelt werden. Parallel zum Testen wurde ein Konzept für die gesamte Anlage erarbeitet und im CAD visualisiert.
Konzept der gesamten Anlage
Arbeit Entwicklungsprojekt
Kunde Kyburz AG
Prüfstand für Chassis Stresstest
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Zur Optimierung der einzelnen Komponenten sowie des Gesamtsystems des dreirädrigen Zustellfahrzeugs der Firma Kyburz wurde ein spezifischer Prüfstandaufbau entwickeltet. Dadurch können auf der hydraulischen Prüfmaschine die Maximal- sowie die Dauerbelastungen der Frontund Hinterachse simuliert und getestet werden. Der Prüfstand kann durch die Wippenübertragung die im täglichen Betrieb auftretenden Kräfte von 5-15 kN in einer Frequenz von 2 Hz oder mehr
aufbringen und so die Lebensdauer von ein paar Mio. Zyklen realitätsnah simulieren. Durch die permanente Überwachung der Kraft und Auslenkung sowie der Zeitrafferaufnahmen der kritischen Elemente, können Belastung sowie die Schadensausbreitung analysiert werden. Die aus den Tests abgeleiteten Optimierungen und Anpassungen am Chassis, können direkt im Anschluss validiert werden.
Arbeit Entwicklungsprojekt Industrie Design
Kunde ZAV, ZHAW
Neue Schubsteuerung für das sichere Fliegen von Tiltrotoren
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Für das Fliegen von Tiltrotoren, einer Mischung aus Flugzeug und Helikopter, welches vom „Helikopter-Modus“ in den „Flugzeug-Modus“ wechselt, wurde ein neues Konzept für die Schubsteuerung erarbeitet. Dieses soll Fehlbedienungen und damit verbundene Abstürze in Stresssituationen verhindern. Das Eingabegerät vereint die zwei Bedienungsarten der beiden Modi, ohne dass der Pilot den Griff beim Modi-Wechsel aus der Hand lassen muss. In diesem Projekt wurde das Eingabegerät formal und ergonomisch gestaltet. In einem iterativen Prozess wurden Clay-Modelle modelliert, einge-
Ergonomisches Clay-Modell
scannt und im CAD ausgearbeitet. Die entstandenen Modelle wurden wiederum als 3D Druckmodelle getestet. So entstand Schritt für Schritt der finale Prototyp. Bei der Umsetzung des ergonomischen Designs, wurde darauf geachtet, dass die Bedienelemente für möglichst unterschiedliche Handgrössen komfortabel angeordnet sind. Ausgangspunkt hierfür war die Position des Mittelfinders. Durch die clevere Formgebung wird verhindert, dass die Knöpfe im falschen Modus versehentlich ausgelöst werden.
Scan des Modells
Prototyp
Nachmodellierung im CAD
Finales CAD
Arbeit Forschungsprojekt
Anwendungsbereich Nachhaltigkeit im Maschinenbau
GoGreen Kreislauffähiger Maschinenbau
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
In diesem internen Projekt lag der Fokus auf der Wissensgenerierung, mit dem Ziel den Maschinenbau in Richtung Nachhaltigkeit und insbesondere Kreislauffähigkeit zu führen. Dabei wurde ein breites Netzwerk aufgebaut und verschiedenste Kontakte geknüpft. Um einige recherchierte Materialien zu testen und eigene Erfahrungen zu gewinnen, wurden diverse Materialversuche anhand eines Handmixergehäuses gemacht. Voraussetzung war dabei, dass die
Materialien nach ihrer Anwendungsdauer in den biologischen Kreislauf zurück geführt werden können. Also biologisch abbaubar oder kompostierbar sind. Schlussendlich wurde das Gehäuse mit folgenden Materialien umgesetzt: Mycelium, Bugholz (Firma Winkler AG), Flachsgewebe in Kombination mit abbaubarem Kleber, 3D gedruckte Bio-Kunststoffe, Delignifizierts Holz (ETH, IfB).
Arbeit Forschungs- und Entwicklungsprojekt
Kunde Michael Dewald Kunststoffverarbeitung GmbH
Hybridwerkzeug optimiert Spritzguss
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Ziel dieses Projekts war es, das bestehende Spritzgusswerkzeug für den Griff eines Fahrradträgers durch ein additiv gefertigtes Werkzeug mit innenliegender konturnahen Kühlung zu ersetzen, um die Zykluszeit zu reduzieren. Des Weiteren sollte die bestehende konventionell gefertigte Werkzeuggrundplatte verwendet werden, um die additive Fertigung auf das Notwendigste zu beschränken. Durch eine anspruchsvolle Hybridkonstruktion konnte das Spritzgusswerkzeug mit
konturnahen Kühlung optimiert und die Abkühlung erfolgreich simuliert werden. Anschliessend erfolgte die additive Fertigung durch selektives Laserschmelzen auf der Grundplatte. Die Nachbearbeitung erfolgte konventionell durch Fräsen und Polieren. Durch die konturnahe Kühlung im Doppelwerkzeug konnte die Zykluszeit von 55 Sek auf 22 Sek um 60% reduziert werden. So können die durch die additive Fertigung erhöhten Fertigungskosten leicht amortisiert werden.
Arbeit Forschungs- und Entwicklungsprojekt
Kooperation IWK Institut für Kunststofftechnik und Kunststoffverarbeitung der HSR
Konturnahe Vario-Temperierung optimiert Spritzguss
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Durch additiv gefertigte Werkzeugeinsätze mit konturnaher Temperierung kann eine homogene Temperaturverteilung an der Kavitätsoberfläche sichergestellt und sogenannte Hotspots vermieden, Zykluszeiten reduziert und die Formgenauigkeit und Oberflächenqualität gesteigert werden. Das heisst die Füllung des Werkzeugs wird durch diskretes Aufheizen und der Abkühlprozess durch eine Kühlung der Werkzeughälften begleitet. Mit der additiven Fertigung können s.g. Hybridwerkzeuge gefertigt werden, d.h. auf einfachen Werk-
zeuggrundplatten lassen sich Strukturen mit konturnaher Temperierung additiv aufbauen. Zusammen mit der HSR Rapperswil wurden thermische Simulationen zur Optimierung des Spritzgussprozesses erfolgreich durchgeführt. Im Weiteren wurde zusammen ein Variotherm-Werkzeug in Werkzeugstahl mit konturnaher Temperierung entwickelt und additiv mittels selektiven Laserschmelzens hergestellt und im Einsatz erfolgreich erprobt.
Arbeit Forschungs- und Entwicklungsprojekt
Kunde Dewald GmbH
Spritzgusswerkzeug optimal gekühlt
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Dank der additiven Fertigung konnte im Spritzgusswerkzeug für einen Leiterschuh eine konturnahe Kühlung realisiert werden, womit die Zykluszeit um 22% reduziert wurde. Die Auslegung der Werkzeugtemperierung beeinflusst massgeblich die Zykluszeit und die Formgenauigkeit der Kunststoffbauteile. Mit steigender geometrischer Komplexität des Bauteils wird die Umsetzung der Kühlkanäle im Werkzeug immer
schwieriger. Konventionelles Bohren und Verstopfen kommt hier an die Grenzen. Durch additiv gefertigte Werkzeugeinsätze mit einer konturnahen Kühlung können die Abkühlzeit und somit die Zykluszeit entscheidend gesenkt werden. Auch trägt eine geregelte Temperierung der Spritzgussprozesses zu einer Qualitätsverbesserung bei.
Arbeit Forschungs- und Entwicklungsprojekt
Kunde Renk Maag AG
Additive Fertigung von Getriebekomponenten
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Antriebssysteme müssen immer leichter und effizienter werden. Kleinere Massenträgheitsmomente und ein optimiertes Design für Kühlung, Schmierung und Leichtbauweise können den Getriebewirkungsgrad deutlich erhöhen. Additiv hergestellte Getriebekomponenten aus typischen Zahnradstählen bieten großes Potenzial. Im Rahmen dieses von der Innosuisse unterstützten Projektes mit dem Industriepartner Renk Maag AG wurden die Prozessparameter für den
vergüteten Stahl 30CrNiMo8 für das additive Verfahren entwickelt und Zahnräder hergestellt. Verschiedene Tests zeigten, dass die hergestellten Zahnräder in Bezug auf Zahnbruch und die Sicherheit gegenüber Pitting mit konventionell hergestellten Zahnrädern vergleichbar sind. Darüber hinaus wurden Zahnräder mit konformen Kühlkanälen entwickelt und als additive gefertigt, die in Tests ein verbessertes Kühlverhalten zeigten.
Arbeit Projektstudie
Anwendungsbereich Raumfahrt
Additiv gefertigte Mars-Rover-Felge
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
In dieser Projektstudie werden anhand einer additiv gefertigten Mars-Rover-Felge der Workflow und die Vorteile der additiven Fertigung (SLM) aufgezeigt. In der Raumfahrt werden Roboter-Erkundungsfahrzeuge mit robusten Rädern bestehend aus mehreren Einzelteilen (Nabe, Speichen, Lauffläche) eingesetzt. Um Beschädigungen an diesen Rädern zu verhindern, brachte die Forschung neue Ansätze hervor. Einer davon wurde als Grundlage für die Projektarbeit ausgewählt: Neuartige Räder beste-
hend aus einer Felge, kombiniert mit selbstheilenden «Pneus» aus einem erhitzbaren Memory-Metall-Geflecht. Die bis jetzt aus mehreren Teilen zusammengesetzte Felge bietet wirtschaftliches Potential für eine additive Fertigung. Mit einer integrativen Bauweise können Leichtbau und zusätzliche Funktionen (Notlauf, Heizkanäle) realisiert, die Anzahl der Bauteile reduziert und die benötigte Wärmezufuhr zum Memory-Metall-Geflecht sichergestellt werden.
Arbeit Designstudie
Kunde Comet AG
Designstudie eines Öl-Injektionskühlers für Röntgenröhren
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Im Rahmen einer Designstudie wurden verschiedene Düsengeometrien und Fluidführungskonzepte für einen Öl-Injektionskühler hinsichtlich Kühlleistung optimiert und realisiert. Der aktuelle Öl-Injektionskühler besteht aus 14 Einzelteilen, die zu einem Teil verlötet werden. Die pulverbettbasierte additive Fertigung mittels des selektiven Laserschmelzens (SLM) ermöglicht die Fertigung des Injektionskühlers in einem Teil. Ausserdem können durch die Gestaltungsfreiheit
neue Düsengeometrien in relativ kurzer Zeit realisiert und getestet werden. Es wurden die Möglichkeiten der additiven Fertigung für eine optimierte Kühlleistung des Einspritzkühlers eingesetzt. Dabei wurden 8 Prototypen mit 3 unterschiedlichen Fluidführungskonzepten und 4 verschiedene Düsengeometrien erfolgreich realisiert und geprüft. Es konnte kein signifikanter Einfluss der Düsengeometrie auf die Kühlleistung der geprüften Prototypen festgestellt werden.
Arbeit Forschungsprojekt
Hydraulikblock leicht gemacht
Advanced Production
Leichtbau-Hydraulikblock mit mehr als 90% reduzierter Masse, auch als Wärmetauscher ausgeführt.
Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Einfache Aufgaben, wie die Verteilung oder Umlenkung hydraulischer Flüssigkeiten können oft auch mit sehr einfachen Bauteilen, wie dem konventionell, sehr kostengünstig hergestellten Hydraulikblock in Stahl 1.4404 mit einem Gewicht von 1245g realisiert werden. Kommt es auf das
Gewicht an, wie z.B. in der Luft- und Raumfahrt, müssen andere Lösungen her. Eine neue auf die Funktion reduzierte Konstruktion, additiv gefertigt bringt eine Gewichtsersparnis von mehr als 95%. Muss die Flüssigkeit auch noch gekühlt werden, kann der Hydraulikverteiler Dank der additiven Fertigung einfach zu einem Wärmetauscher umgewandelt werden und ist immer noch 90% leichter als die konventionelle Ausführung.
Optimiert auf Gewicht 53 Gramm (4.3%)
Original 1245 Gramm (100%)
Optimiert auf Kühlung 116 Gramm (9.3%)
Arbeit Entwicklungsprojekt 2019
Kunde Share your Bicar AG
Share your Bicar Mobilität der Zukunft
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die ZHAW zeigt mit BICAR eine neue Lösung für die Mobilität auf Kurzdistanzen auf. Entwickelt im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojekt mit Experten aus Verkehrstechnik, Nachhaltigkeit und Produktentwicklung ist BICAR inzwischen ein Spin-off der ZHAW. Das Fahrzeug weckt international grosses Interesse und Städteplaner, Mobilitätsverantwortliche und Pendler können dank dem Fahrzeug BICAR
eine neu Form der Mobilität erfahren. Wettergeschützt, sicher dank einem Dreipunktgurt und stabilem Stand mit 3 Räder fährt sich BICAR leicht von A nach B. Mit den integrierten Solarzellen auf dem Dach wird die Batterie von BICAR automatisch aufgeladen und das kompakte Design ermöglicht das Parken auf gewöhnlichen Motorradabstellplätzen.
Arbeit Forschungsprojekt
Digital Twin „Poppy“ … mehr als CAD …
3D-Experience
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Ein digitaler Zwilling ist viel mehr als ein digitales Modell aus Geometrien wie Kurven, Oberflächen und Festkörpern. Es ist ein dynamisches digitales Modell, das von Echtzeitdaten aus einem realen Produkt im Feld gesteuert werden kann, sei ein Roboter, eine Maschine oder eine Drohne. Das Setup ermöglicht dem virtuellen Zwilling, das mechatronische Verhalten des physischen Gegenstücks zu replizieren. Es ist eine agile Methode, um den Zustand des Produkts aus der Ferne zu überwachen, seine Leistung unter hypothetischen Bedingungen zu simulieren und sogar seine potenziellen Fehler vorherzusagen. Man kann den digitalen Zwilling mit einem realen oder virtuellen Controller ansteuern, ebenso sein
reales Gegenüber. Dabei können die Sensor-Werte des realen zum digitalen Zwilling übertragen werden, um mit diesem Simulationen und Analysen durchzuführen. Nicht sichtbare Parameter wie z.B. Kräfte oder Temperaturen können auf dem digitalen Zwilling visualisiert werden. Somit können Produktoptimierungen agil und ohne Umweg direkt mit realen Daten am Entwicklungsmodell des Produktes (digitaler Zwilling) realisiert werden. Interessant ist die Interaktion zwischen den Zwillingen auch, wenn die Daten einer «Flotte» von realen Produkten (z.B. im Einsatz stehende Maschinen) für die Produktoptimierungen oder Fehleranalysen verwendet werden können.
Arbeit Kooperationsprojek mit der ZHdK Zürcher Hochschule der Künste
Kunde Technorama Winterthur
Förderung Gebert Rüf Stiftung
Science-Toys Aero
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
In diesem interdisziplinären Projekt wurden Wege erforscht, wie luftbezogene Phänomene wie Strömung, Druck, Kraft und Dichte auf eine spielerische Art, und dennoch wissenschaftlich fordernd, bewusst gemacht und die Neugierde nach den physikalischen Prinzipien geweckt werden können. Es wurden zahlreiche Prototypen entwickelt und Experimente und Workshops mit Kindern und
jungen Erwachsenden durchgeführt, um die Kriterien für ein attraktives Science-Toy zu evaluieren. Eines der Resultate ist der Aero – ein handgrosser Doppellüfter, mit dem fast unendlich viele Experimente (Hovercraft, Luftturm, Rauchströmung darstellen) durchgeführt werden können und genug Freiraum für kreative Weiterentwicklung lässt. Informationen und Impressionen: www.science-toys
Arbeit Entwicklungsprojekt
Kunde ABB Schweiz AG
Standardisierung der Konstruktionen Digitalisierung des Entwicklungsprozess
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die Aussenleitungen bei gasisolierten Hoch- und Mittelspannungs-Anlagen werden durch Stahlstützen getragen. Trotz hoher Variabilität in Grösse, Anforderung und Funktion konnten die Stahlstützen standardisiert und kostenoptimiert werden. Dank dieser Neukonstruktion konnten bis zu 40% Materialkosten eingespart werden. Basierend auf der Neukonstruktion wurde eine eigene Software entwickelt, welche sich in den
Konfiguration der verschiedenen Stützenarten
kundenspezifischen Entwicklungsprozess optimal integriert. Dank zusätzlicher Prozessoptimierung und Digitalisierung konnte eine sehr hohe Informationsdurchgängigkeit erreicht werden. Heute ist es möglich die Modelle und Zeichnungen der parametrischen Stützen durch wenige Mausklicks zu generieren. Die gewonnene Zeit ermöglicht eine Reduktion der Durchlaufzeit und eine Kosteneinsparung in Entwicklung um 60%.
Arbeit Entwicklungsprojekt Industriedesign
Kunde Fluxim AG
Litos
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Litos ist ein neuartiges LED- und Solarzellenmesssystem, mit welchem Langzeitbelastungstests und Alterungsanalysen durchgeführt werden. In den vier Test-Kammern können die Proben individuellen Temperatur- und Lichteinflüssen ausgesetzt werden und dienen somit der Entwicklung neuer Produkte. Das ZPP unterstütze die Firma Fluxim AG bei der Entwicklung im Bereich der Produktgestaltung sowie bei der industriellen Umsetzung.
Design B The casing around the arrangement B Possible colour of the device
Design B The casing around the arrangement B Possible colour of the device
ZPP
Zürcher Fachhochschule FLUXiM AG / Lifetime Tester 21. August 2018
ZPP
Zürcher Fachhochschule FLUXiM AG / Lifetime Tester 21. August 2018
9
Arbeit Entwicklungsprojekt Industriedesign
Kunde Nexenic AG
Steasy - Steamer to go
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die Idee des Winterthurer Start-up Nexenic AG: Steasy - eine Lunchbox, welche die selbst gekochte Mahlzeit von zu hause mit einer innovativen Steaming-Technologie schonend mit Wasserdampf erwärmt. Die neue Lunchbox hat einen integrierten Akku, so dass das Essen auch unterwegs bequem aufgewärmt werden kann. Gemeinsam mit der Nexenic AG wurde das Ge-
Copyright: Nexenic AG
häuse mit doppeltem Verschlusssystem, welches einen sicheren Transport in der Tasche und das Steamen bei geschlossener Lunchbox ermöglicht, entwickelt. Die gesamte Entwicklung beinhaltete zudem das Produktdesign, welches mit einer harmonischen und eigenständigen Formgebung überzeugt. Mit seiner flachen Grundform lässt sich Steasy gut in einer Tasche mittragen.
Virtual Reality in der Produktentwicklung
3D-Experience
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Im Rahmen einer Produktvorstellung haben wir aus Zeitgründen (der reale Prototyp war noch nicht fertigt, die digitalen Entwicklungsdaten aber schon) eine «Sitzkiste» aufgebaut. Diese entspricht einem Prototyp mit Aussengeometrie und Sitzmöglichkeit. Dank der VR-Technologie konnten wir die digitalen Details des CAD-Modells in einer fotorealistischen Szene auf die VR-Brille übertragen. Somit hatte der Besucher die Möglichkeit in das „fertige Produkt“ einzutauchen». In Sekunden ha-
ben wir die Anwendungs-Umgebung (Stadtmitte Berlin, Autostrasse, Landstrasse im Outback) oder auch Konfigurations-Details geändert. DieTeilnehmer hatten sichtlich Spass daran. Wir sind stolz, VR-Technologien im Produktentwicklungsprozess aktiv zu nützen. Vom Prozess des «Industrial-Designs» über technische Reviews bis zum Erstellen eines Konfigurators für Marketing-Szenarien entstehen dabei mehrere Vorteile, die den Zielen eines «Lean Development» entsprechen.
Arbeit Workshop im ZPP
Kunde Helbling Wil AG
Hackaton mit der Firma Helbling
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Bereits zum zweiten mal führten wir einen mehrtägigen Hackathon mit der Firma Helbling Wil AG durch. Dabei gingen wieder mehrere Ingenieurteams an den Start, um sich im schnellen Erarbeiten von innovativen Produktideen bis zum funktionalen Prototyp zu messen.
Wieder einmal hat sich gezeigt, dass sich die Infrastruktur und das Ambiente am ZPP hervorragend für solche Anlässe eignen. Das Resultat: 30 begeisterte Teilnehmer, 5 neue Produkte in 3 Tagen.
Arbeit Allgemeine Dienstleistung
Materialdaten für Kunststoffzahnräder
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die Auslegung und Lebensdauer von Kunststoffzahnräder hängen von den einzelnen Materialbestandteilen der Kunststoffe von den jeweiligen Produzenten ab. Hinzu kommt, dass Kunststoffe ein temperaturabhängiges Elastizitätsmodul besitzen. Werden also Kunststoffzahnräder entwickelt, müssen dem Ingenieur alle Materialdaten im Zahnradeinsatz bekannt sein. Diese Materialdaten
können am ZPP mit einer Normprüfung nach VDI 2736 ermittelt werden. Dabei kann die Zahnradgenauigkeit im Zweiflanken-Wälzprüfverfahren ermittelt und die Zahnräder im Teststand auf das Versagen hinsichtlich Zahnbruch und Grübchenbildung geprüft werden.
Arbeit Bachelor Arbeit 2017
Studenten Armin Gemperle, Ronny Hoffmann
Leichtbau eines Flugzeugteils durch Topologie Optimierung und additive Fertigung
Advanced Production Technologies
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die finite Elemente basierte Topologie Optimierung ist ein Leistungsfähiges Werkzeug zur Auslegung von Produkten mit optimaler Materialausnutzung. Innerhalb eines definierten Designraums wird dabei nur in jenen Bereichen Material erhalten, wo dieses zur Erfüllung aller Anforderungen notwendig ist. Das selektive Laserschmelzen ist ein additives Fertigungsverfahren, welches einen schichtweisen Aufbau von komplexen metallischen Strukturen ermöglicht. Durch gezielte Kom-
bination von Topologie Optimierung und selektivem Laserschmelzen entstehen neue Möglichkeiten, um Produkte leichter zu machen, die strukturelle Festigkeit zu erhöhen, die Eigenfrequenz zu beeinflussen, Auflagekräfte zu reduzieren oder die Ermüdungseigenschaften zu verbessern. Anhand eines Flugzeugbauteils wurde am ZPP die Leistungsfähigkeit der Kombination von Topologie Optimierung und additiver Fertigung demonstriert.
Arbeit Entwicklungsprojekt Industriedesign
Kunde Fluxim AG
Benutzeroptimiertes Tischgerät zur Analyse von OLED und LED
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Das Laborgerät Phelos der Firma Fluxim AG wird zur Analyse von LED und OLED eingesetzt. Das ZPP entwickelte das funktionelle Aussengehäuse und definierte die Unterbringung der Elektronikbzw. Elektrokomponenten. Neben funktionalen Anforderungen wie das lichtdichte Verschliessen wurden Benutzeranforderun-
gen mit einer Nutzeranalyse des Tischgerätes eruiert. Dabei wurden der möglichst grosse Zugang zum Versuchsraum sowie eine geringe Standfläche als wichtige Voraussetzung für eine optimale Benutzung erkannt. Die auf dieser Grundlage erarbeiteten Konzepte wurden mit Funktionsmuster validiert.
Arbeit Entwicklungsprojekt Industriedesign
Kunde WEKA AG
Durchflusssensor für Kryoanlagen
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Mit der Überarbeitung des Gehäusedesigns wurde einerseits eine formal ansprechende Gestaltung realisiert und andererseits eine Optimierung bei der Montage erreicht. Der Zugang für die Montage wurde dank dem neuen Gehäuse auf drei Seiten erweitert. Trotzdem wird der Sensor mit den seitlichen Flanschteilen auf Position gehalten. Zudem sind nur wenige Schrauben nötig.
Für die Präsentation auf Messen können die seitlichen Verschalungen durch Plexiglas ersetzt werden. Dank der asymmetrischen Lagerung des Sensors im Innern konnte Platz und Material gespart werden. Insgesamt wurden die Herstellkosten mit dem neuen Design gesenkt.
Gehäuse_A
• Beschriftung 1 zu 1, gelasert
Beschriftung des Sensors
Visualisierung des Sensors
Zürcher Fachhochschule / WEKA / 25. November 2016 / Durchflusssensor_definItives Modell
Zürcher Fachhochschule / WEKA / 25. November 2016 / Durchflusssensor_definItives Modell
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Endprodukt
M •
Arbeit Bachelorarbeiten und Forschungsprojekt Industriedesign
Kunde Interessengemeinschaft Stadtmilch
Frische Milch - Auch in der Stadt Dank dem neuen Milchautomaten
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Für die Interessengemeinschaft Stadtmilch wurde unter Leitung von Gabriel Schneider ein stadtund zeitgemässer Frischmilchbereitstellungsautomat entwickelt. Die Entwicklung untergliederte sich in drei Phasen. Phase 1 beinhaltete die Ideensammlung, die Konzeptfindung sowie eine CAD-Computervisualisierung. In Phase 2 wurde das Proof of Concept erstellt. Hier waren vor allem die Themen Usability- und Designverbesse-
Usabilitytests am Modell
Interfacegestaltung
rung von Interesse. Die letzte Phase beschäftigte sich mit der Detaillierung des Entwurfs sowie mit der Erstellung eines Prototyps. Das Gesamtprojekt konnte durch Bachelorarbeiten in den Bereichen Elektrotechnik und Maschinentechnik unterstützend vom Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung erfolgreich umgesetzt werden.
Prototyp
Arbeit Entwicklungsprojekt Industriedesign
Kunde rotavis AG
Therapiestuhl für Schlaganfallpatienten T-Chair
Innovation Playground
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
In Zusammenarbeit mit der rotavis AG wird im Rahmen eines Forschungsprojekts ein Therapie-Stuhl für neurologisch geschädigte Personen entwickelt. Der Stuhl soll die Balance und Stabilität beim Sitzen für Patienten mit Schlaganfall fördern. Eine aktiv-unterstützte Sitzfläche hilft dem Patienten, sein Becken und die Wirbelsäule wieder aktiv auszurichten.
Konzeptskizzen
Entwurf
Design-Visualisierung
Arbeit Projekt- und Bachelorarbeit 2014
Studenten Aris Richli, Erik Meyer
Hochkomplexe Selective Laser Melting-Bauteile: Gewichtsoptimierung durch additive Fertigung
Advanced Production Technologies
In der Luft- und Raumfahrtindustrie kann jedes Gramm in der Luft in Treibstoffverbrauch umgerechnet werden. Deshalb ist Gewichtsreduktion oberstes Gebot.
Konventionell gefertigte Ventilgehäuse können durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren wie hier das SLM (Selective Laser Melting) gewichts- und auch oftmals funktionsoptimiert werden.
Hydraulikgehäuse-Sicherheitsventil konventionell (Fräsen, Bohren) gefertigt
Hydraulikgehäuse-Sicherheitsventil additiv gefertigt (SLM), Gewichtsreduktion 81 % bei optimierter Funktion
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Arbeit Projekt- und Bachelorarbeit 2011
Kunde Zentrum für Aviatik ZAV
Windkanal für das Zentrum für Aviatik
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
In Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Aviatik wurde im Rahmen von Projekt- und Bachelorarbeiten ein Windkanal konstruiert, der die hohen Anforderungen der Strömungstheorien erfüllt, aber auch in den engen Platzverhältnissen im Untergeschoss des Maschinenlabors aufgebaut werden kann.
Massstäbliches Modell eines Flügelprofils, hergestellt mit Rapid Prototyp Verfahren, bereit für Versuche im Windkanal.
Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Studierenden des Studiengangs Maschinentechnik, den Strömungsfachleuten des ZAV und mehreren Lieferanten, konnten CAD-Entwürfe ausgearbeitet werden, die als Grundlage für die Beschaffung der Anlage dienten.
Windkanal im Untergeschoss des Maschinenlabors des Zentrums für Aviatik.
Arbeit Forschungsprojekt 2014 – 15, Projekt- und Bachelorarbeiten von 2012 – 2014
Kunde Dermolockin GmbH
Revolutionäre Methode zur nichtinvasiven Erkennung von Hautkrebs
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
teils schwer erkennbar. Dank dem innovativen Mit mehr als 15 000 neuen Fällen pro Jahr ist Hautkrebs die am häufigsten auftretende Krebsart Thermographie-Verfahren von Dermolockin und dem dazugehörigen Gerät, welches vom ZPP in der Schweiz. Heutzutage basiert ihre Diagnose auf der visuellen Untersuchung der Haut durch Der- konstruiert und gestaltet wird, sind diese Parameter für den Dermatologen zugänglich. matologen, welche einige Nachteile aufweist. Zum einen basiert die Diagnose auf der subjektiven Einschätzung des Arztes, zum andern sind die Tiefe und die Grenzen der Läsion
Designskizzen des Dermolockin Gerätes mit Prüfkopf
Arbeit SoE Sonderprojekt 2014
Kunde Energieregion Goms
Evaluation der Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen in der Schweiz
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Akzeptanz, räumliche, meteorologische und ökonomische Möglichkeiten erarbeitet. Das ZPP hat Methoden zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen entwickelt, mit welchen sich auf einfache Weise die voraussichtlichen Stromerzeugungskosten abschätzen lassen.
Die Bedeutung der Windenergie als erneuerbare Energiequelle nimmt in der Schweiz stetig zu. Unter Federführung des INE (Institut für Nachhaltige Entwicklung) wurden in Zusammenarbeit mit den Instituten und Zentren IEFE (Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering), ZPP, ZAV (Zentrum für Aviatik), Grundlagen zum Thema
Stromerzeugungskosten in Funktion der Windgeschwindigkeit und der Amortisationsdauer
Fr/KWh
KWh/Jahr
1.40
280 000 260 000
1.29 1.20
240 000
1.17 1.10
220 000
1.00
200 000 0.91
0.80
180 000
0.86
160 000
0.77
140 000
0.66 0.60
0.64
120 000
0.56 0.50 0.42
0.40
0.38
0.39
0.26
0.20
80 000
0.31
0.30
0.33
Legende
100 000
0.49
0.24 0.21
KWh/Jahr
0.25 0.20 0.17
60 000 0.21 0.16 0.14
Amortisationsdauer 10 Jahre Amortisationsdauer 15 Jahre Amortisationsdauer 20 Jahre
0.17 0.13 0.11
0.15 0.11 0.10
40 000 0.12 0.8
0.11 0.8 20 000 0.7
0
0 3.0
3.5
4.0
4.5
Windgeschwindigkeit (m/s)
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
Erst bei hohen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten ergeben sich bei der untersuchten Windenergieanlage ökonomisch sinnvolle Stromerzeugungskosten.
Arbeit Dienstleistungsprojekt 2010
Kunde Werner Meier, Künstler
Von der realen Weihnachtskugel zum Kunstobjekt
3D-Experience
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Die «zerbrochene Weihnachtskugel» symbolisiert «zerplatzte Träume» und ist eines der neueren Werke des Kunstschaffenden Werner Meier. Die Weihnachtskugel ist 1 Meter hoch und die Scherben verteilen sich auf einer Fläche von 4 × 4 Metern. Das Bild ist eine reale Fotostudio-Aufnahme, keine Montage. Das durch Reverse Engineering (Einscannen und Nachmodel-
Ausstellungansicht, Zentralschweizer Kunstschaffen 2011, Kunstmuseum Luzern
lieren) entstandene CAD-Modell wurde skaliert und war die NC-Programm-Grundlage für eine 5-Achsen-Laserschneidanlage, die eine grosse, geschweisste Stahl-Kugel den vorgegebenen Bruchkonturen entlang zerschneidet. Die dabei entstandenen Stahlteile sind mit einer exklusiven Beschichtung in Weihnachtskugel-Scherben zurückverwandelt worden.
Arbeit Projekt- und Bachelorarbeit 2014
Kunde Inspectron AG, PET Schweiz
PET-Zerkleinerung beim Entsorgen
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Im Jahr 2012 wurden in der Schweiz 37 571 Tonnen PET-Flaschen recycliert, welche unter schlechter Volumenausnutzung zuerst zu einem Sortierwerk und anschliessend zu einem Aufbereitungszentrum transportiert werden müssen. Die in Projekt-und Bachelorarbeiten entwickelte Anlage sortiert und zerkleinert das PET direkt an der Sammelstelle und optimiert so den Recycling-Prozess. Anhand des realitätsnahen Funktionsmusters können nun weitere Optimierungen, wie zum Beispiel das Schneiden und die Zerkleinerung getestet werden. Ziel ist die Integration der Anlage in das bestehende schweizerische Recyclingsystem.
Legende 1. Identifizierung Barcode erkennen und mit Datenbank abgleichen 2. Sortierung Nur erkannte Objekte aussortieren
1.
3. Zerkleinerung PET-Flaschen farblich getrennt zerkleinern 4. PET-Flakes lagern 5. Aussortierung Nicht erkannte Objekte lagern 2.
5.
3.
4.
Funktionsmodell
Arbeit KTI Forschungsprojekt 2012, verschiedene Projekt- und Bachelorarbeiten von 2010 – 2015
Kunde Ability Switzerland AG
Intelligente Mechanik hilft gehbehinderten Patienten bei der Therapie
Innovation Development
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Patienten mit einer neurologischen Erkrankung (z. B. Schlaganfall) müssen über aufwändige Therapien das natürliche Gangmuster wieder neu erlernen. Dank dem von Ability auf den Markt gebrachten Gangtrainer können Patienten selbstständig und ohne Therapeut wieder Gehen lernen.
Das ZPP hat die erste Produktidee von Ability aufgegriffen. In einem Forschungsprojekt wurde die technische und physiologische Machbarkeit erforscht. Das Produkt wurde bis zum serienreifen Prototyp entwickelt, konstruiert und teilweise gefertigt.
Technische Daten Gewichtsentlastung dynamisch statisch Entlastungsgewicht
Gangmusterkurve des Bewegungsablaufs für den Vorderfuss und der Ferse.
10 – 60 kg
Art der Aufhängung 1-Punkt Aufhängung Handlaufhöhe
86 – 110 cm
Geschwindigkeit 0 – 4 km/h stufenlos
Abmessungen
Der Gangtrainer im Einsatz in der Reha-Klinik Zurzach.
Länge
250 cm
Breite
190 – 240 cm (offener Flügel)
Höhe
260 cm
Gerätegewicht
ca. 570 kg
Stromversorgung
230 V einphasig
Arbeit Bachelorarbeit 2014
Student Michael Lämmli
Luftloser Reifen für die Mobilität der Zukunft
3D-Experience
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP)
Für den Sharingbetrieb von Fahrrädern oder neuen Mobilitätsfahrzeugen wie dem von der ZHAW entwickelten BiCar ist eine 100 % Verfügbarkeit sehr wichtig. Eine Massnahme dazu sind luftlose Reifen. Ein Stehenbleiben aufgrund eines «Plattens» gehört dann der Vergangen-
heit an. In der Bachelor-Arbeit hat Herr Lämmli diese Idee aufgegriffen und ein machbares Konzept aus einem spezifischen Kunststoff mittels FEM ausgelegt, berechnet und einen Prototypen hergestellt.
FEM-Berechnung der Deformation des Reifens bei der Fahrt über ein Schlagloch.
CAD-Rendering der Radkonstruktion. Dank der Verwendung eines speziellen Kunststoffes in Kombination mit der optimierten Geometrie können die Feder- und Dämpfungseingenschaften eines Luftreifens erreicht werden.
Prototyp des luftlosen Rades.