From d42a4e62fdd526e22328854e11485ec80613f7dd Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: thies Date: Wed, 29 Mar 2023 17:12:56 +0200 Subject: [PATCH] add final report --- README.md | 1 + doc/final_report/final_report.md | 374 +++++++++++++++++++++++++++++++ 2 files changed, 375 insertions(+) create mode 100644 doc/final_report/final_report.md diff --git a/README.md b/README.md index 139ffa8..6ec6487 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -37,6 +37,7 @@ Bei der Erstllung der Herstellungsmethode wurde darauf Wert gelegt, dass sich di Das Repository ist modular aufgebaut. Die Readme [Materialherstellung](mod/material_fabrication/README.md) im Ordner mod/material_fabrication beschreibt den grundlegenden Herstellungsprozess. Die weiteren Module anchor, mould und mounting_system beschreiben die Herstellung von Teilaspekten, die für die Fertigung des Absorbers notwendig sind. Eine Gebrausanweisung ist in dem [user manual](doc/usage/user_manual.md) beschrieben. Über einen Beitrag oder Verbesserungsvorschlag zu dieser Dokumentation, würden wir uns sehr freuen. Wie Sie dies machen können, finden Sie im [Contribution guide](doc/contributing/CONTRIBUTING.md). +In dem [Abschlussbericht](doc/final_report/final_report.md) sind die Ergebnisse und Erkenntnisse in Bezug auf die Forschungsfrage, wie gut lassen sich Absorber aus Myzelmaterialien in einem FabLab mit unterstützung digitaler Werkzeuge reproduzieren, dargelegt. --- ## Anleitung zur Nutzung dieses Repositories für die Prototypherstellung diff --git a/doc/final_report/final_report.md b/doc/final_report/final_report.md new file mode 100644 index 0000000..dfb0ba3 --- /dev/null +++ b/doc/final_report/final_report.md @@ -0,0 +1,374 @@ + + +# Abschlussbericht + +Wie gut lassen sich Akustikabsorber-Prototypen aus Pilzmyzelmaterialien in einem +Fablab mit der Unterstützung digitaler Werkzeuge reproduzieren? + +1. [Einleitung](#1-einleitung) +2. [Dokumentation](#2-dokumentation) +3. [Vorbereitung](#3-vorbereitung) + 3.1. [Auswahl digitaler Werkzeuge](#31-auswahl-digitaler-werkzeuge) + 3.1.1. [3D-Drucker](#311-3d-drucker) + 3.1.2. [Lasercutter](#312-lasercutter) + 3.1.3. [CNC-Fräse](#313-cnc-fräse) + 3.1.4. [FreeCAD](#314-freecad) + 3.2. [Hardwarenutzung in offenen Laboren in Hamburg](#32-hardwarenutzung-in-offenen-laboren-in-hamburg) + 3.2.1. [Curious Community Labs e. V. (CCL)](#321-curious-community-labs-e-v-ccl) + 3.2.2. [Openlab Hamburg](#322-openlab-hamburg) + 3.2.3. [Fabulous St. Pauli e. V.](#323-fabulous-st-pauli-e-v) +4. [Workshopdurchführung](#4-workshopdurchführung) + 4.1. [Workshop Tag 1](#41-workshop-tag-1) +4.1.1. [Reproduzierbarkeit](#421-reproduzierbarkeit) +4.1.2. [Nachbereitung](#412-nachbereitung) +4.2. [Workshop Tag 2](#42-workshop-tag-2) +4.2.1. [Reproduzierbarkeit](#421-reproduzierbarkeit) +4.2.2. [Nachbereitung](#422-nachbereitung) +4.3. [Workshop Tag 3](#43-workshop-tag-3) +4.3.1. [Reproduzierbarkeit](#431-reproduzierbarkeit) +4.3.2. [Nachbereitung](#432-nachbereitung) +5. [Hürden und Probleme](#5-hürden-und-probleme) +6. [Fazit](#6-fazit) + + + +## 1. Einleitung + +Die Forschungsfrage, die Eingangs genannt wird, beschäftigt sich mit der +Reproduzierbarkeit von Akustikabsorber-Prototypen aus Pilzmyzelmaterialien, die +in einem FabLab-Kontext mit der Unterstützung digitaler Werkzeuge hergestellt +werden. +Im Rahmen des FabCity Interfacer-Projektes wurden dazu zwei Workshopreihen +durchgeführt und insgesamt 24 Prototypen hergestellt, woraus Erkenntnisse über +den Herstellungsprozess sowie die Reproduzierbarkeit abgeleitet werden können. +Weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur lokalen, kreiswirtschaftlichen +Produktion zu leisten und alle zur Reproduktion notwendigen Daten unter Open +Source Lizenz bereitzustellen. +Dieser Bericht stellt die Erkenntnisse und Erfahrungen dar, um aus der +Workshopreihe lernen zu können und um einen nachhaltigen Beitrag für zukünftige +Workshopreihen zu leisten. Der Erkenntnisstand soll über die Dokumentation sowie +über die Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung der Workshops dargelegt +werden. + +## 2. Dokumentation + +Die Dokumentation wurde von uns über Gitea als remote server und lokalen Git +Instanzen erstellt. Die FabCity bietete dabei Beispiele für den Aufbau eines +Repository sowie Rahmenbedingungen für eine Open Source gerechten +Veröffentlichung. Die zugrunde liegende Norm ist die DIN SPEC 3105. +Die Arbeitsweise mit der Dokumentation hat sich als sehr nützlich erwiesen, da +dadurch sowohl die Projektplanung gemacht werden konnte als auch die +Dokumentation versionsweise optimiert werden konnte. Der Herstellungsprozess +konnte und kann somit kontinuierlich verbessert werden. +Es wurden im Repository auf standardisierte Ordnerstrukturen Wert gelegt, um eine +Vergleichbarkeit mit anderen Repositories zu ermöglichen. Alle Texte wurden im +Markdown-Format geschrieben, um eine Verbesserung leicht durchführbar zu +machen. Bei den Software Tools wurde, soweit es ging frei verfügbare Software +benutzt wie z.B. FreeCAD und Inkscape. Es wurde aber ebenfalls für das +Absorberdesign eine gekaufte Software, Rhino3D, genutzt, da für das Erstellen +eines komplexen Designs keine vergleichbare Open Source Software vorhanden +war. +Die bill of materials ist in einer CSV datei gespeichert, die eine leichte Anpassung +ermöglicht. +Bei der Lizenzauswahl wurde mit ähnlichen Veröffentlichungen im Bereich +Myzelmaterialien verglichen und CC-BY-SA-4.0 als passende Lizenz ausgewählt. + +## 3. Vorbereitung + +Bei der Vorbereitung für die Workshops wurde ein Zeitplan erstellt. Da das +Pilzmyzel, sobald es einmal wächst, direkt weiterverarbeitet werden muss, ist ein +methodisches und vorrausschauendes Arbeiten notwendig. Die Vorbereitung der +nicht lebendigen Bestandteile (Wachstumsformen und Befestigung) wurde als +erstes geplant und zum größten Teil vor der Arbeit mit dem Pilzmyzel bereits +durchgeführt. +Insgesamt war der Vorbereitungsaufwand für einen reibungslosen Workshopablauf +im Vergleich zur Workshopdurchführung relativ hoch. Es wurden Holzteile +gefertigt, die Wachstumsformen eingekauft und bearbeitet sowie sämtliche +Hygiene- und Verbrauchsartikel organisiert und Pilzmyzel bestellt. +Bei den Vorbereitungsschritten mit 3D-Drucker und Lasercutter haben wir +festgestellt, dass genügend Zeit eingeplant werden muss, um die Ergebnisse im +Vorfeld beurteilen zu können und eventuelle Anpassungen vorzunehmen. +Die Materialien, die in der bill of materials dargestellt sind, bezogen wir +weitgehend aus dem Baumarkt. Bei höheren Stückzahlen waren in der Filiale nicht +immer genügend Materialien vorhanden und es musste zum Teil online bestellt +werden. + +### 3.1. Auswahl digitaler Werkzeuge + +#### 3.1.1. 3D-Drucker + +Das Design der Prototypen ließ sich durch unterschiedliche computergestützte 3D- +Modellierung umsetzen. Die Formgebung stellte die Rahmenbedingungen für die + +Herstellungsmethode der Wachstumsform. Sie berücksichtigte die Entformbarkeit +des Myzelmaterials, Handling während des Herstellungsprozesses sowie das +spätere Gesamtbild nach Installation an der Wand. +Ziel bei der Auswahl war es, eine Nachbearbeitung der Paneele nach der +Durchwachsung durch eine gut gestaltete Wachstumsform so gering wie möglich zu +halten. Die Wahl der Methode zur Herstellung der Wachstumsformen fiel auf den +3D-Druck. +Der Vorteil eines 3D Druckes liegt in der Möglichkeit, sehr gleichmäßge und sich +wiederholende Strukturen herzustellen. Durch die Wahl eines 2-Teiligen Aufbaus +der Wachstumsform mit Hilfe einer Aufbewahrungsbox aus Kunststoff und einer +3D-gedruckten Designform als Negativ-Einsatz konnten wir sämtliche +Oberflächengestaltungen, welche vorher virtuell designt wurden, abbilden. Durch +die Bereitstellung der .stl Dateien ist eine Designänderung individuell anpassbar +und ein erneuter Ausdruck möglich. + +#### 3.1.2. Lasercutter + +Da Pilzmyzel ein lebendiges, dynamisch wachsendes Material ist, besteht sowohl in +der Phase der Durchwachsung als auch bei späterer Trocknung die Möglichkeit, +dass sich angestrebte Dimensionen nicht einhalten lassen. +Für den von uns gewählten Herstellungsprozess war eine exakte Positionierung der +Befestigungsanker entscheidend. Um eine genau reproduzierbare Anordnung der +Verankerung zu gewährleisten, bot sich die Bearbeitung der Wachstumsform mit +einem Lasercutter an. +In den Deckeln der Aufbewahrungsboxen (Wachstumsform) wurden an genau +festgelegten Positionen quadratische Aussparungen geschnitten. Der Laser lässt +sich mittels einer Vektorgrafik im .svg Format steuern. Dadurch ließen sich die +Kunststoffdeckel leicht reproduzierbar und sehr genau bearbeiten. + +#### 3.1.3. CNC-Fräse + +Für das Befestigungssystem wurden Nutleisten benötigt. +Die im Baumarkt verfügbaren Formate von Nutleisten waren für unsere Anwendung +nicht geeignet. Um eine Nut nach unseren Maßen herzustellen, wurden +Rechteckleisten mit Hilfe einer CNC-Fräse mit einer Nut versetzt. +Auf dem Fräsbett wurde dazu eine Haltevorrichtung für die Leisten angebracht. +Nach Einstellen des Fräskopfes konnte in kurzer Zeit eine hohe Stückzahl an Leisten +bearbeitet werden. Die Fräsungen hatten eine hohe Genauigkeit und waren gut +reproduzierbar. + +#### 3.1.4. FreeCAD + +FreeCAD ist ein Open Source CAD Programm, welches wir für die Erstellung der +technischen Zeichnungen der Holzwerkstücke (Anker und Befestigungssystem) +genutzt haben. Das Programm bot ausreichende Möglichkeiten, um die technischen +Zeichnungen zu erstellen. Dadurch, dass FreeCAD Open Source ist, ist eine +Adaption des Befestigungssystems oder der Holzanker durch weitere Anwender +leicht möglich. + +### 3.2. Hardwarenutzung in offenen Laboren in Hamburg + +#### 3.2.1. Curious Community Labs e. V. (CCL) + +Beim Herstellungsprozess der Pilzmyzelmaterialien werden spezielle Labor- +Werkzeuge benötigt. Diese sind entweder sehr groß oder sehr teuer, so dass sich + +Privatpersonen diese normalerweise nicht kaufen. Im offenen Gemeinschafts- +Biolabor (CCL) können Gerätschaften für biologische Anwendungen genutzt werden. + +Zwei der drei Workshoptage wurden in den Räumlichkeiten des CCL durchgeführt. +Für die Workshopdurchführung benötigten wir: +• Kühlschrank +• Autoklav mit sterilisierbaren Beuteln +• Laminarströmungsabzug +• Impulsschweißgerät +• temperaturkontrolliertes Wachstumszelt +• PSA (Handschuhe, Mundschutz) +• Desinfektionsmittel + +#### 3.2.2. Openlab Hamburg + +Das Openlab Hamburg befindet sich auf dem Gelände der Helmut-Schmidt- +Universität und bietet der Öffentlichkeit einen Zugang zu modernen, digitalen + +Fabrikationstechnologien. +Im Openlab wurden wir vom Labormanager tatkräftig unterstützt. Es konnte auf +folgende 3D Drucker zurückgegriffen werden: +• BigRep One 1.3 +• Ultimaker 2 extended +Bei dem BigRep One 1.3 handelt es sich um einen großen 3D Drucker, der für den +Druck der einteiligen Positiv- und Negativformen zum Einsatz kam. Der BigRep ist +wegen seiner Größe und Anschaffungskosten häufig nicht in offenen Laboren +vorhanden. Daher wurden ebenfalls mehrteilige Positiv- und Negativformen +entworfen, die in unserem Fall mit einem Ultimaker 2 extended gedruckt wurden. +Die mehrteiligen Positiv- und Negativformen lassen sich auch mit gewöhnlichen +3D-Druckern drucken, die in offenen Laboren häufiger anzutreffen sind. Die +Reproduzierbarkeit der Wachstumsformen ist durch die Genauigkeit und +Fehlerabweichung des jeweilig genutzten 3D Druckers festgelegt. + +#### 3.2.3. Fabulous St. Pauli e. V. + +Das FabLab Fabulous St. Pauli befindet sich in direkter Nachbarschaft zum CCL. +Ähnlich wie im offenen Biolabor können hier große Maschinen gemeinschaftlich +genutzt werden. +Für die Workshopvorbereitung verwendeten wir den Lasercutter Epilog Zing 24. +Dieser leistungsstarke Lasercutter mit einem Druckbett von 30x60 cm war +geeignet, die dünnwandigen Deckel der Aufbewahrungsbox bestehend aus +Polypropylen zu schneiden. +Auch Hilfsmittel für den Herstellungsprozess, wie Positionierungslehren oder +Druckplatten konnten mit dem Lasercutter sehr exakt gefertigt werden. +Außerdem verwendeten wir für Holzteile die große CNC-Fräse, welche ebenfalls im +FabLab genutzt werden kann. + + +## 4. Workshopdurchführung + +Die Workshopdurchführung lief, dank viel Vor- und Nachbereitung und großzügiger +Zeitplanung für den Workshoptag selbst, zeitlich entspannt ab. Hilfsmittel wurden +im Vorfeld hergestellt und Materialien bereitgestellt. + +### 4.1. Workshop Tag 1 + +Nach Begrüßung und Orientierung folgten Infos zum Projekt und eine Erläuterung +des Tagesablaufs. +Die Arbeitsschritte wurden in 2 Teile gegliedert, sodass vormittags das Vorbereiten +und Sterilisieren des Substrats und nachmittags das Beimpfen des Substrats mit der +Pilzkultur vorgenommen wurde. +Die Teilnehmer:innen erlernten an einem Tag alles, was theoretisch und praktisch +benötigt wird, um das Pilzmyzel für die Durchwachsungsphase vorzubereiten. +Es wurde darauf Wert gelegt, die praktischen Fähigkeiten mehrmals zu +wiederholen, um sie gut zu verinnerlichen. Die Teilnehmer:innen meldeten zurück, +dass auch die vermittelten Inhalte überschaubar und verständlich waren. +Als Nadelöhr für den Ablauf stellte sich die sterile Werkbank heraus, da dort immer +maximal eine Person arbeiten und eine weitere zuarbeiten kann. Die +Workshopteilnehmer:innen empfanden dies nicht als störend, da sie dadurch genug +Freiraum hatten, um zu beobachten, Gelerntes zu integrieren oder sich +auszutauschen und kennenzulernen. + +#### 4.1.1. Reproduzierbarkeit + +Insgesamt wurden pro Workshop 12 Substratbeutel hergestellt und beimpft. Bei 6 +Teilnehmer:innen konnte so jede Person 2 Beutel bearbeiten. Durch genaues +Anleiten konnten vergleichbare Ergebnisse erzielt werden. Besonders beim sterilen +Arbeiten wurde sogfältig angeleitet. Die Inhalte waren auch für Anfänger +verständlich und die Arbeitsschritte für alle gut durchführbar. + +#### 4.1.2. Nachbereitung + +Die von den Workshopteilnehmer:innen hergestellten 12 Substratbeutel wurden +gegen Ende des Workshops sterilisiert. Nachdem sie über Nacht ausgekühlt waren, +wurden sie am Folgetag von den Workshopdurchführenden mit der Pilzkultur +beimpft und anschließend in ein Wachstumszelt gegeben. + +### 4.2. Workshop Tag 2 + +Am zweiten Workshoptag wurde das beimpfte Substrat in die Akustikabsorberform +überführt. Dieser Ablauf war deutlich komplexer und enthielt viele Einzelschritte. +Für 12 Prototypen ergab sich bei einer durchschnittlichen Bearbeitungszeit von 30 +Minuten pro Paneel eine praktische Arbeitsphase von insgesamt 6 Stunden. Nach +dem Check-in und Vorstellen der Aufgaben für den Tag, wurde relativ zügig mit +dem praktischen Teil begonnen. Mit Pausen und einem Zeitpuffer für das +abschließende Aufräumen konnte die Workshopdauer von 8 Stunden eingehalten +werden. +Um möglichst einheitliche Prototypen herzustellen, wurden von den +Workshopdurchführenden immer wieder genaue Hinweise gegeben. +Auch am Workshop Tag 2 stellte sich die sterile Werkbank als limitierender Faktor +heraus. Praktischerweise konnten die anderen Teilnehmer:innen zuarbeiten oder +zuschauen, um so den Ablauf mehrmals zu sehen und zu lernen, bevor sie selbst an +der Reihe waren. + +#### 4.2.1. Reproduzierbarkeit + +Insgesamt wurden pro Workshop 12 Prototypen hergestellt. Bei 6 Teilnehmer:innen +konnte so jede Person 2 Prototypen herstellen. Durch den ersten Workshoptag +hatten die Teilnehmer:innen bereits Vorkenntnisse und somit keine +Schwierigkeiten, die vermittelten Inhalte und Arbeitsschritte zu verstehen und +durchzuführen. Die Ergebnisse waren einheitlich. + +#### 4.2.2. Nachbereitung + +Die Nachbereitung des zweiten Workshoptages erforderte Arbeiten an drei +zusätzlichen Tagen bevor der letzte Workshop beginnen konnte. +Die Prototypen wurden nach dem Workshoptag in das Wachstumszelt gebracht und +fünf Tage wachsen gelassen. +Ohne die Workshopteilnehmer:innen wurde darauf folgend aus allen +Wachstumsformen die Negativ-Form entfernt. Dieser Schritt hat zu dritt ca. 3 +Stunden in Anspruch genommen. +Nach weiteren vier Tagen Wachstum wurden die Paneele getrocknet. Das +Entformen und die Beschickung des Trockners hat zu zweit ca. 1 Stunde gedauert. +Nach dem Trocknen wurden die Absorber vermessen und die Bohrlehren für die +Löcher und Muffen in der Verankerung erstellt. Ein Teil der Absorber wurde vorab +vorbereitet, sodass die Arbeitszeit am letzten Workshoptag ausreichte, um alle +Absorber finalisieren zu können. Hierfür wurde ein Tag zu zweit benötigt. + +### 4.3. Workshop Tag 3 + +Am dritten Workshoptag wurden die getrockneten Absorber für die Befestigung +bearbeitet, das Befestigungssystem aufgebaut und die Absorber über das +Befestigungssystem an der Wand installiert. +Die Teilnehmer:innen lernten die Holzbearbeitung der Verankerung und der +Befestigungsleiter kennen. Es wurde hierbei handwerklich an den Verankerungen +der Absorber mithilfe Bohrlehren und Akkuschraubern gearbeitet sowie die +Befestigungsleiter aufgebaut. +Bei der Herstellung der Befestigungsleiter kam es häufiger vor, dass die Schrauben +das Holz spalteten. Es wurde von den Teilnehmer:innen vorgeschlagen, das nächste +mal eine andere Holzdicke zu wählen oder die Schraublöcher vorzubohren. +Die Teilnehmer:innen sahen zum ersten Mal die Ergebnisse des zweiten +Workshoptags. Das Myzel, welches als loses Substrat in Erinnerung war, hatte nun +Form angenommen und war zu einem festen Block zusammengewachsen. Nach +anschließender Anbringung an der Wand konnte eine zusammenhängende Fläche +aus der Ferne betrachtet werden. Die Workshopteilnehmer:innen berichteten, dass +dieser Moment ein eindrückliches Erlebnis war. Die Ergebnisse der vor 3 Wochen +begonnenen Arbeitsschritte waren nun sichtbar. + +#### 4.3.1. Reproduzierbarkeit + +Pro Workshop wurden insgesamt 4 Befestigungsleitern händisch zusammengesetzt. +Hierbei ist uns aufgefallen, dass die Holzarbeiten vergleichsweise aufwändig sind. +Trotz der Holzlehren für die Löcher in der Verankerung waren die Ankerschrauben +nicht immer parallel zu der Vorderkante der Absorber, sodass es bei der +Aufhängung zu geringen Unterschieden kam. + +#### 4.3.2 Nachbereitung + +Die Absorber, welche an die Befestigungsleiter angehängt waren, konnten durch +die Stellschrauben in der Verankerung justiert werden, sodass die Ausrichtung der +Kanten parallel zu der Befestigungsleiter war. +Nach Finalisierung der beiden Workshopreihen wurden die Absorber vorbereitet, +um sie in das Akustiklabor der HAW Hamburg zu transportieren. Dort wurden sie +akustisch vermessen. Die ermittelten Absorptionswerte sind vergleichbar mit +herkömmlichen Akustikabsorber Produkten. + +## 5. Hürden und Probleme + +- Dokumentation: +Das System von Git, Gitlab und Gitea erforderte ein hohes Maß an +Einarbeitung. So musste die Funktionsweise vollständig begriffen werden, +um die Einrichtung vorzunehmen. Es kam immer wieder zu Problemen in der +Verbindung vom local client zum remote server sowie Mergekonflikten. +- Vorbereitung: +Materialbestellungen und Herstellung der Wachstumsformen waren zeitlich +sehr knapp geplant. +Die Wachstumsformen waren durch unterschiedliche Systeme hergestellt +worden. Dadurch kam es zu Abweichungen in der Formgebung und dem +resultierenden Erscheinungsbild der fertigen Absorber. +- Durchführung der Workshops: +Es kam an den ersten beiden Workshoptagen zu Engstellen, da an der +sterilen Werkbank nur eine Teilnehmer:in zur Zeit arbeiten konnte. Die +anderen Teilnehmer:innen konnten aber die Zeit nutzen, um sich Techniken +abzuschauen und Zuarbeiten zu verrichten. +Die Lagerkapazität für die benötigte Menge an Myzelmaterialien reichte im +CCL nicht ganz aus, sodass während der Durchwachsung und Trocknung +örtlich ausgewichen werden musste. Hierbei konnten Räumlichkeiten von +MycoLutions genutzt werden. + +## 6. Fazit + +Die Workshops haben gezeigt, dass die Herstellung von Myzelmaterialien am +Beispiel von Akustikabsorber-Prototypen in offenen Laboren, wie sie in Hamburg +vorzufinden sind, möglich ist und sich die Prototypen mit den vorhandenen +Maschinen gut reproduzieren lassen. +Die Möglichkeit der Optimierung und Weiterentwicklung ist über Gitea und Gitlab +Open Source gegeben. Das System erfordert zwar ein hohes Maß an Einarbeitung, +die Möglichkeit einer gleichzeitigen Projektsteuerung ist aber lohnenswert. +Die digitalen Werkzeuge 3D Drucker, Lasercutter und CNC Fräse bevorteilen ein +exaktes Arbeiten und die Reproduzierbarkeit. +Für eine größere Anzahl an Absorbern muss räumlich geschaut werden, wo für die +Durchwachsung Platz ist. +Bei hohem Bedarf an Materialien muss rechtzeitig die entsprechende +Materialbestellung angestoßen werden. Eine Methodische Arbeitsweise ist +notwendig, da das Wachstum des Pilzes nicht mehr zu stoppen ist, wenn er auf das +Substrat gebracht wird. +Eine einheitliche Optik lässt sich nur mit gleichartigen Wachstumsformen und +einheitlicher Arbeitsweise schaffen. + +## 7. Lizenz + +CC-BY-SA-4.0 \ No newline at end of file