Materials Design Lab
Zweck
Das Materials Design Lab (MDL) ist ein wichtiges Element im neuen Studiengang Materialwissenschaft mit projektbasiertem Lernen (Start Herbst 2021). In den Bachelorveranstaltungen Projekte & Praktika I bis IV wird der grösste Teil der Projekte im MDL durchgeführt.
Das MDL bietet Studierenden vom 1.-4. Semester somit die Möglichkeit, Semesterprojekte selbstständig unter Nutzung der zur Verfügung gestellten Gerätschaften und Räume zu bearbeiten. Wie im späteren Berufsleben ist das Ziel vorgegeben, den Weg dahin mit der Organisation der Arbeit müssen die Studierenden selber finden. Rat und Hilfe erhalten sie von Tutoren und den an allen Projekttagen anwesenden Assistierenden und Betreuenden.
Die Projekte sind dabei so gewählt, dass der in den Vorlesungen des gleichen oder früheren Semesters gelehrte Stoff praktisch angewandt werden kann. In begleitenden Kursen werden Analysentechniken und Verarbeitungsmethoden gelehrt.
Projektbasiertes Lernen
1. Semester
Reverse Engineering Projekte in 4er-Gruppen
Inhalt
Die neuen Studierenden bearbeiten in Vierergruppen zwei Reverse Engineering Projekte, ein gestelltes und ein frei gewähltes. Dabei ist das Ziel im ersten Projekt, Alltagsgegenstände in ihre Komponenten zu zerlegen, die Werkstoffe zu identifizieren und ihre Funktionen zu beschreiben. Das gestellte Projekt ist die Untersuchung einer Getränkedose. Dazu steht ein gewisser Pool an Untersuchungsmethoden zur Verfügung, aus denen sie drei auswählen dürfen. Der Pool umfasst das Ausstanzen von Minizugproben mit anschliessendem Test auf einer Eigenbauzugprüfmaschine, das Zusammendrücken in einer Hydraulikpresse vor Hochgeschwindigkeitskamera, thermogravimetrische Analyse (TGA) zur Bestimmung der Dicke der Kunststoffinnenbeschichtung, Auflösen der Aussenhülle zur Bestimmung der Dicke und Stabilität der Kunststoffinnenbeschichtung, Fallversuche zur Erklärung der Funktion des konkaven Bodens, Mikrophotographie, Rasterelektronenmikroskopie (SEM, unter Anleitung), Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie (FTIR, zur Bestimmung des Kunststoffs der Innenbeschichtung). Für das freie Projekt können die Studierenden einen selbstgewählten Alltagsgegenstand mitbringen und haben zusätzlich die Möglichkeit, metallische Komponenten per Röntgenfluoreszenz (XRF) zu untersuchen.
Kurse
Jeder Studierende erhält während des Projekts eine Einführung in TGA und FTIR.
Abschluss
Die Projekte werden durch eine Kurzpräsentation abgerundet. Die Arbeitsunterlagen werden auf eine Polybox hochgeladen.
Begleitende Vorlesungen
Materialwissenschaftliche Grundlagen
2. Semester
Bau eines Modells eines Schienenzeppelins in 4er-Gruppen
Inhalt
Die Studierenden führen erstmals ein konstruktives Projekt durch. Die Aufgabe besteht darin, ein Modell eines Schienenzeppelins im Massstab 1:32 zu bauen und eine Geschwindigkeitsmessung durchzuführen. Zur Vorbereitung erhalten die Studierenden eine Einführung in rechnerunterstützte Konstruktion (CAD, Fusion 360), damit sie 3D-Druck und rechnergestützte numerische Steuerung (CNC-Fräsen) beherrschen. Im Kurs wird das Fused Layer Modelling für die Erstellung des Chassis mittels 3D-Druck und das CNC-Fräsen zur Herstellung eines Kunststoffschaumkerns für das anschliessende Thermoformen des Gehäuses gelehrt. In Zusammenarbeit mit dem D-PHYS erlernen die Studierenden die Grundlagen der Elektronik und können auf Basis von Arduino-Komponenten eine berührungslose Geschwindigkeitsmessung mit zwei Infrarot-Lichtschranken realisieren. Der Antrieb des Schienenzeppelinmodells erfolgt vorbildgerecht mit einem Propeller, dessen Motor von einem Superkondensator gespeist wird. Dadurch haben alle Gruppen die gleiche Energiemenge zur Verfügung.
Kurse
Zur Organisation des Projekts in Unterprojekte erhalten die Studierenden eine Einführung ins Projekt Management. 2 Studierende pro Gruppe erhalten eine Einführung in rechnergestütztes Modelieren (CAM) für das CNC-Fräsen und ins Thermoformen.
Abschluss
Zum Schluss präsentiert jede Gruppe ihr Modell und führt es auf einer 10 m langen geraden Teststrecke vor, um seine Funktion und die Geschwindigkeitsmessung zu demonstrieren.
Begleitende Vorlesungen
Physik II, D-PHYS Versuche 26 und 27.
3. Semester
Bau eines wissenschaftlichen Geräts in 5er-Gruppen
Inhalt
Im zweiten Studienjahr haben die Studierenden die Möglichkeit, ein wissenschaftliches Gerät zu bauen. Es stehen fünf Projekte zur Auswahl, die per Losverfahren zugeteilt werden: ein VIS-Spektrometer, ein Gerät zur Messung der thermischen Leitfähigkeit, ein verbessertes Modell des DownloadKeppe-Motors (PDF, 2.3 MB), ein Stirling-Motor und ein Pullstruder zur Herstellung von 3D-druckbaren Filamenten aus PET-Flaschen. Jedes Projekt wird von einem Tutor begleitet, der bei wissenschaftlichen Fragestellungen Hilfe leistet.
Kurse
Um das Projekt in Unterprojekte zu organisieren, erhalten die Studierenden eine Auffrischung im Projektmanagement. Zusätzlich gibt es einen Kurs in "Fail early - Rapid Prototyping", um die Projektgruppen zu ermutigen, kritische Komponenten möglichst frühzeitig und vereinfacht zu fertigen und somit Fehler im Design oder Fehlfunktionen zu erkennen. Auf freiwilliger Basis können die Studierenden an einer zweistündigen Einführung ins konventionelle Fräsen und in die Bedienung einer Drehbank teilnehmen. Der Schwerpunkt dieser Ausbildung liegt auf der Sensibilisierung für Gefahrenquellen. Nach erfolgreichem Abschluss des Kurses können die Studierenden sich gegenseitig bei der Fertigung helfen und die Assistierenden entlasten.
Fortschrittskontrolle
Halbzeitpräsentation
Abschluss
Die gebauten Geräte werden in einer Kurzpräsentation erklärt und danach vorgeführt.
Begleitende Vorlesungen
Materialcharakterisierung I
4. Semester
Ein Kunstobjekt à la Tinguely in 8er Gruppen
Inhalt
Das vorliegende Projekt ist sehr offen und orientiert sich an der kinematischen Kunst von Jean Tinguely. Die Größe des „umbauten Raums“ und das Gewicht sind vorgegeben. Um den materialwissenschaftlichen Charakter zu wahren, gibt es eine umfangreiche Liste mit verschiedenen Randbedingungen und Funktionalitäten, aus denen die Gruppen zu Beginn eine Wahl treffen und diese dann im Objekt nachweislich umsetzen müssen.
Kurse
Keine
Abschluss
Der Kurs endet mit einer Vorstellung und einer Vernissage, zu der auch Fachkräfte und Professoren geladen sind.
Begleitende Vorlesungen
Mechanik, Materialcharakterisierung II
Kontakt
MDL Manager: Dr. Thomas Schweizer
Verantwortlicher Professor: Prof. Jan Vermant