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Abschlussbericht
Wie gut lassen sich Akustikabsorber-Prototypen aus Pilzmyzelmaterialien in einem Fablab mit der Unterstützung digitaler Werkzeuge reproduzieren?
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