Einleitung

In der folgenden Dokumentation möchten wir unser Projekt „Dematerialisierung & Gestaltung“ anhand eines Konsumgutes darbieten. Wie nicht schwer zu erahnen war, handelt es sich dabei um eine elektrische Zahnbürste, wie sie in jedem zweiten Haushalt zu finden sein dürfte.

Sicherlich stellt man sich jetzt die Frage, warum wir uns ausgerechnet für dieses Produkt entschieden haben. Ganz einfach!

Wie oft putzen wir uns am Tag die Zähne? Im Schnitt dürfte man von zwei Reinigungen pro Tag ausgehen. Bei einer empfohlenen Reinigungsdauer von ca. 3 Minuten macht das im Jahr 36 Std (h).

Was ist mit den restlichen 8600 Std (h). des Jahres? Richtig, da hängt unser Bürstchen sinnlos am Netz und verbrät ordentlich Strom, bzw. unsere Ressourcen. Und wir sind ja nicht die einzigen, die ein solch „tolles“ Bürstchen besitzen.

Wir dachten uns, das müsse so nicht sein, gäbe es sinnvolle Alternativen, um den benötigten Strom zu gewinnen.

Stromverbrauch und Emissionserzeugung einer elektrischen Zahnbürste

Leistung einer el. Zahnbürste:

Ca. 1,5 Watt

Jährlicher Stromverbrauch

1,5 Watt x 8640 h/a

= 12960Wh/a ca. 13 kWh/a

Die Berechnungsgrundlagen für den Klimakompass besagt:

1000 kWh verursachen etwa 590 kg CO2

Jährliche CO2 Erzeugung einer el. Zahnbürste:

etwa 7,70 kg CO2

Waldflächen zum Ausgleich:

1 m² Wald bindet rund 1 kg CO2/Jahr

Überlegungen zu alternativenAntriebsmöglichkeiten

Zunächst war es für unser Projekt das Wichtigste, dass wir uns über Alternative Antriebsmöglichkeiten informieren. Hierbei ließen wir auch mechanische Funktionen nicht außer Acht.

Allerdings sollte das Produkt möglichst nicht, oder nur wenig an Bedienungskomfort verlieren, damit es den Kundenwünschen entspricht. Und da der Mensch ja faul ist… hören wir hier erstmal auf mit Text …

Dies ist eine mit Wasser angetriebene Konstruktion.

Dieses US-Patent ging allerdings nie in Serienreife…

Das Wasser wird hierbei über einen Schlauch in die Bürste geleitet und erzeugt dort mittels Rotor eine Drehbewegung des Bürstenkopfes.

Unser Urteil: unpraktisch!!!

Man hat immer den Schlauch an der Bürste….

Auch hier handelt es sich um ein US-Patent. Wiederum mit Wasser angetrieben.

Unser Urteil: Grottenschlecht !!!

Hier hat man sogar zwei Schläuche an der Bürste und muss einen davon permanent ins Waschbecken halten, weil dort das Wasser raus läuft…

Hmm… was soll man sagen…

Unsere Bemühungen im Internet nach bereits existierenden und gut durchdachten Antriebsmöglichkeiten zu suchen, schienen vergebens…

Umso besser …

Endlich dürfte unsere, wie es sich für angehende Ingenieure gehört, technische Begabung zu tragen kommen. Zumindest dachten wir das, aber wir hatten ganz schön Anlaufschwierigkeiten.

Natürlich kam uns sofort der Gedanke, die Stromversorgung des Akkus mittels Fotovoltaik zu bewerkstelligen.

Doch hat wirklich jeder ein Fenster in seinem Bad?

Auch die Überlegung zwei Akkus zu verwenden, welche abwechselnd in einem benachbarten Raum am Fenster geladen werden könnten, schien uns nicht das non plus ultra.

Ein weiterer von uns aufgegriffener Gedanke war, sich von einer elektrischen Quelle vollends zu lösen und auf eine andere Methode der Energie-speicherung zurück zu greifen.

Die altbewährte Mechanik schien uns die beste Möglichkeit zu sein.

Bei diesem Modell war eine Spiralfederkonstruktion wie man sie aus Uhren kennt geplant. Durch vorheriges Aufziehen hätte man dann ausreichend Spann-energie für einen Reinigungs-vorgang.

Jedoch wurde auch dieses Prinzip zugunsten der Bequemlichkeit verworfen.

Das war noch nicht alles. Dem folgten weitere Überlegungen wie zum Beispiel eine mit Wasser betriebenen Basisstation. Hierbei wäre, mittels einem von der Wasserleitung abgezweigten Schlauch, Wasser in die Basisstation umgeleitet worden und hätte dort eine Turbine mit nach- geschaltetem Generator angetrieben. Der so gewonnene Strom könnte dann in einer „handelsüblichen“ Zahnbürste gespeichert werden.

Doch auch dieses Prinzip schien uns noch nicht hundert Prozent ausgereift zu sein.

Die suche nach „dem“ Antriebssystem schien aussichtslos. Es musste doch möglich sein, ein Konzept auszuarbeiten, das in Punkto Bequemlichkeit keine Abstriche verzeichnen würde, ohne Aufziehen, störende Wasserschläuche oder ewiges „Lichtsuchen“.

Unsere Spannungsquelle sollte in jedem Bad vorhanden sein. Da wir keinen Strom aus der Steckdose nutzen wollten, blieb uns als einzige Möglichkeit Wasser. Somit griffen wir die zuvor genannte Methode wieder auf und verfeinerten sie.

Wir entschlossen uns den Generator einfach direkt in die Wasserleitung einzusetzen. Dies sollte natürlich nur mit wenigen Handgriffen möglich sein.

Dadurch ersparten wir uns Wasserschläuche zur Basis und eine übergroße Ladestation war auch nicht mehr nötig.

Die Vorteile dieses Systems:

- Überflüssiger Wasserdruck wird sinnvoll genutzt

- Keine weiteren Kosten (für Strom und Wasser)

- Aufstellplatz unabhängig vom Vorhandensein einer Steckdose

Konstruktion & Design

Bevor wir uns dem Design unseres Produktes widmen, mussten wir uns für einen Werkstoff entscheiden, da von diesem unsere Möglichkeiten der Formgebung und farblichen Gestaltung abhängig waren.

Wichtigstes Argument für den Einsatz von Kunststoffen oder Metallen war und ist die Hygiene. Die gängigen Verarbeitungstemperaturen für Kunststoffe liegen im Bereich von 250 bis 300 °C. Während Metalle bei hohen Temperaturen aufwändig gegossen werden müssen und Einschränkungen bezüglich der Gussformen bestehen, lassen sich aus Thermoplasten auch komplizierte Formteile mit vergleichsweise geringem Aufwand fertigen. Gleichzeitig können in einem Verarbeitungsschritt Additive, wie Farbpigmente oder Fasern, in das Material eingearbeitet werden, die sich bei den hohen Temperaturen des Metallgießens oder des Sinterns von Keramik zersetzen würden.

Viele Kunststoffe sind im Gegensatz zu Metallen aufgrund ihrer organischen Natur beständig gegenüber anorganischen Medien. Dies schließt Mineralsäuren, Laugen, sowie wässrige Salzlösungen ein. Daher bevorzugt man Werkstoffe aus Kunststoff zur Herstellung von pflegeleichten Haus- und Elektrogeräten, Fahrzeugausstattungen, Spielzeugen usw. Im Gegensatz zu Metallen reagieren sie allerdings empfindlich auf organische Lösungsmittel, wie Alkohole. Jedoch ist Alkohol zum Beispiel in Zahnpasta enthalten.

Polyethylenterephthalat… ist ein Polyester aus Terephthalsäure und Ethylenglykol. Es kristallisiert sehr langsam, so dass man hier je nach Anwendungsbereich amorphes und teil-kristallines (C-PET) Material herstellen kann.C-PET besitzt hohe Steifigkeit, Härte, Abriebfestigkeit und ist beständig gegen verdünnte Säuren, Ölen, Fetten und Alkoholen. Es ist jedoch empfindlich gegenüber heißem Wasserdampf.Amorphes PET zeigt eine geringere Steifigkeit und Härte als C-PET, aber bessere Schlagzähigkeit. Da es transparent, aber leichter als Glas ist, wird es oft als Material für Getränkeflaschen und Verpackungen für Lebensmittel und Kosmetika verwendet.

Umweltproblematik

Die polymeren Bestandteile der Kunststoffe sind zum einen nicht wasserlöslich und zum anderen nicht in der Lage, die Zellmembranen von Mikroorganismen zu passieren; das heißt, eine Wechselwirkung mit lebenden Organismen ist außer bei den biologisch abbaubaren Kunstoffen weitgehend ausgeschlossen. Dies hat zwar den Vorteil, dass Polymere als gesundheitlich absolut unbedenklich eingestuft werden können, aber eine Umwandlung in der belebten Natur ebenso ausgeschlossen werden kann. Kunststoffe verrotten also nur sehr langsam.

Mikroorganismen können Kunststoffe im Grunde nur durch extrazelluläre Enzyme verarbeiten, die das Material in kleinere Bestandteile zerlegen, die dann von der Zelle aufgenommen werden können. Allerdings sind die Enzyme zu voluminös, um effektiv in das verrottende Material einzudringen, so dass dieser Prozess nur als Oberflächenerosion ablaufen kann.

Toxische Zwischenstufen der biochemischen Prozesse können sich auch, wenn sie nicht weiter umgesetzt werden können, in der Natur anreichern. Gefahr geht auch von den den Kunststoffen zugesetzten Additiven, wie Weichmachern, Farbstoffen oder Flammschutzmitteln aus.

Ist PET ein umweltfreundliches Material?

Wissenschaftliche Untersuchungen und Studien belegen die Vorzüge von PET hinsichtlich der Umweltbelastung. Ökobilanzen zeigen, dass der Gebrauch von PET, verbunden mit einem wertstofflichen Recycling, vorteilhaft ist. Zum Beispiel sind PET-Einwegflaschen und Glas-Mehrwegflaschen in der Öko-Gesamtbilanz gleichwertig.

Im Gegensatz zu den meisten übrigen Kunststoffen eignet sich PET für die stoffliche Wiederverwertung. Es behält seine Eigenschaften und kann mit relativ geringem Energieaufwand verarbeitet werden. Gegenüber der PET-Neuproduktion wird bei der Aufbereitung von gebrauchtem PET 60 Prozent Energie eingespart.

…somit war die Suche nach einem geeigneten Werkstoff, welcher auch ästhetische Vorzüge aufweisen sollte, erfolgreich …

Der Generator

Zugegeben wirkt es schon etwas merkwürdig, wenn man unseren Generator am Wasserhahn befestigt sieht. Daher beschlossen wir die Unterbringung unterhalb des Waschbeckens in der Wasserzuleitung. Dort sollte er auch dauerhaft verbleiben.

Wenn man jedoch auf Reisen ist, empfiehlt sich ein weiterer Generator, welchen man problemlos anschließen können sollte. Da wir hier auf die Befestigungsmethode direkt am Wasserhahn zurückgreifen wollten, sollte dieser auch ein relativ ansprechendes Design erhalten.

Die farbliche Kombination aus Grün und Transparent schien uns hierbei optimal, da diese auch oftmals bei Mineralwasserflaschen Verwendung findet und somit auch eine gewisse Wasserqualität widerspiegelt.

Des weiteren wollten wir den Effekt, der sich rotierenden Turbine, nutzen, um etwas Bewegung und somit Spannendes in unser Produkt zu integrieren. Dies sollte von dem außergewöhnlichen Erscheinungsbild etwas ablenken.

Befestigung

Wasserschutz

Kupferspule

Rotorlager

Dauermagnet

Rotor (Turbine)

Befestigung

Zahnbürste & Ladestation

Auch unsere Zahnbürste sollte ein recht ansprechendes Design erhalten. Zum Glück hat sich diesbezüglich auf dem Markt bisher nur wenig getan. Zumindest ist das nach gewissen Recherchen unser Eindruck geworden.

Zunächst prüften wir, welche Funktionalität eine Zahnbürste heutzutage mit sich bringen sollte, außer einer Reinigung der Zähne. Denn schließlich soll unser Produkt „up2date“ sein. Wer will schon ein veraltetes Modell kaufen?

Wir bekamen einen sehr großen Schrecken, als wir feststellten, dass es bereits „Ultraschall“-Zahnbürsten gibt. Klingt gut, ist aber nicht so…

Wenn man sich die Funktionsweise einer Ultraschallreinigung anliest, gelangt man zu interessanten Erkenntnissen.

Ultraschall ist geeignet, um Gegenstände in einem Wasserbad zu reinigen, jedoch nicht die eigenen Zähne… es sei denn, man kann sie raus nehmen!

Der Grund:Ultraschallwellen übertragen sich über das Wasser, und nicht durchOberflächenberührung eines Bürstenkopfes. Man müsste also den Mundvoller Wasser haben, damit das überhaupt funktioniert. Der Sender darfauch nicht aus Gummi o.Ä. sein, sondern am besten aus Metall. Das Gefäßsollte Schwingungen nicht schlucken, sondern reflektieren (am Bestenein Glasgefäß).

All diese Dinge sind im Mund nicht gegeben, deshalb sindUltraschall-Zahnbürsten wirkungslos. Es handelt sich nur um einenMarketing-Gag, aber nicht um seriöse Produkte. Wirklich gut fürZahnreinigung sind elektrische Zahnbürsten, die über mechanischeSchwingungen reinigen. Und genau das wird unsere einzige Funktion werden…

Zugegeben war unser primäres Ziel bei der Konstruktion nicht ein formal ästhetisches Design. Vielmehr ging es uns um die Handhabung, also um die Haptik und Ergonomie. Hierzu stelle man sich vor, wie man eine Zahnbürste in der Hand hält.

Spätestens beim zweiten mal Nachdenken stellt man fest, dass man bei einem Reinigungswechsel von der linken zur rechten Mundhälfte die Zahnbürste automatisch in der Hand dreht. Dies bedeutete für uns, dass unser Produkt für Rechts- als auch Linkshänder in beiden Stellungen gut in der Hand liegen sollte. Aus Versuchen mit Knetmasse stellten wir fest, dass sich hierzu eine Art bauchiger, dreieckiger Grundkörper am ehesten eignet.

Dazu kam noch die Erkenntnis, das es von Vorteil ist, wenn der Büstenhals leicht abgewinkelt ist. Somit wird ein Erreichen der hinteren Backenzähne erleichtert. Wieso man eine solche Form nicht bei jeder Zahnbürste verwendet ist uns unklar. Jedoch kann es am benötigten Einbauplatz in der Zahnbürste nicht liegen…

Mit CatiaV5 erstellten wir nach unseren gewonnenen Erkenntnissen dieses Grundkörpermodell, welches für den folgenden Designprozess eine gute Grundlage darzustellen schien.

Ganz im Sinne einer Dematerialisierung beschlossen wir den Gestaltungsverzicht eines Bürstenaufsatzes. Sollten sich doch die Leute von der Fa. P&G den Kopf zerbrechen …

Wir zerschnitten unser Grundkörpermodell in viele Einzelteile und konnten somit unsere Vorstellung eines formal ästhetischen Designs verwirklichen.

Unsere Farbwahl viel auf Rot-Weis, in Anlehnung an einen Koi-Fisch, dessen Natürlicher Lebensraum das Wasser ist. Durch diverse Rundungen versuchten wir diesen Erkennungseffekt zu verdeutlichen. Die Bewegungen schwimmender Fische vermitteln ein beruhigendes Gefühl. Ähnlich verhält es sich auch bei Katzen. Übrigens hervorragende Schwimmer … Und da Zähne putzen nun wirklich nichts spannendes ist und auch niemals sein wird, bringen wir mit unserer Gelassenheit und Ruhe vielmehr die Eleganz unseres Produktes in den Vordergrund.

Und so sollte das ganze dann aussehen…

Als kleines Zusatzfeature sollte unsere Zahnbürste ein Display mit Ladestatus und Uhrzeit im Stil der 70‘er Jahre erhalten. Wer sich noch erinnern kann weis, dass die ersten digitalen Armbanduhren rot leuchtende LED-Ziffern hatten. Leider wurden diese mit der Zeit aufgrund ihres hohen Strombedarfs durch sparsamere Anzeigeelemente vom Markt verdrängt. Jedoch ist es heutzutage durch den Einsatz moderner LED-Technik möglich diesen unangenehmen Nebeneffekt zu beseitigen.

Da unser Produkt aufgrund seines japanischen Erscheinungsbildes einem derzeitigen Trend entspricht, würde sich in Verbindung mit einem „Retro“-Element ein sehr netter Kontrast einstellen. Um es jedoch nicht all zu sehr zu übertreiben, beschlossen wir das Display etwas nach innen versetzt unterzubringen. Die Sicht sollte mittels einem partiell, durchsichtigen, in anthrazit gehaltenem Köperelement ermöglicht werden.

Die Gestaltung der dazugehörigen Ladestation überließen wir jedoch nach ca. 3 Stunden dem Zufall, denn wenn der Designer nicht mehr weiter weis, malt er Dreieck, Viereck oder Kreis…

Wir malten einen Zahnputzbecher …

Mit unserem bewusst eingesetzten Symmetriebruch versuchten wir letztendlich dem Zähne putzen doch noch einen spannenden Effekt zu verleihen.

Natürlich gilt ein Symmetriebruch als anstößig, aber wer putzt sich schon gerne die Zähne?

Das Zahnbürstenteam:

Thomas Schröter FZ4

Peter Schuller FZk5

Victor Wolf FZ4

Quellen:

Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) Aachen

Institut für Polymere, an der ETH Zürich

http://www.wer-weiss-was.de

http://www.de.wikipedia.org

http://www.ea-nrw.de

Verwendete Software:

Computer Aided Design - CatiaV5 R16

Adobe Photoshop CS3

Microsoft PowerPoint