Termin 01

Termin 01: Einführung + Additive Fertigung [A]

Thema: DEMENZ
Demenz

Ziel: Ein spielerisches Gadget entwickeln, welches entweder präventiv (z.B. Kognitive Fähigkeiten verbessert)
oder rehabilitativ (z.B. Eigenaktivität verbessert) fungiert.

 

Beispiele
Bop It! New Moves

Simon Air

Twister

Using video games for better medical rehabilitation

Download
Konzept 3D-Druck und Additive Fertigung [PDF]

 

 

Intro

3D Systems on Good Morning America – January 1989

Manufacturing the Future

Perpetual Plastic Project

Touching 3D Printed Ultrasound Allows Blind Mother Meet Her Unborn Baby

 

Quelle: Link

Was ist Additive Fertigung oder umgangssprachlich 3D-Druck?

Um ein Objekt zu erzeugen wird in der Additiven Fertigung ein 3D-Modell virtuell
am Computer gefertigt (CAD Konstruktion). Nachfolgend werden die Oberflächen durch
Triangulation in Dreiecksfacetten beschrieben, in Schichten geschnitten (Slicing) und
unter der Angabe von x-, y-, z- Parametern (STL) ein maschinenlesbarer Anweisungscode
(G-Code) erzeugt. Dieser G-Code wird an einen 3D-Drucker gesendet, welcher das virtuelle
Modell durch schichtweises Schichten (Addition) gleicher Schichtdicken von Materialien
physisch erzeugt. Die stufenförmigen Strukturen sind charakteristisch für additiv
hergestellte Oberflächen. Die Formgebung erfolgt in der x- und y-Ebene (2D).
Die dritte z-Ebene entsteht durch das aneinanderfügen der einzelnen Schichten.
 

 
Neben Additiven und Subtraktiven Verfahren, wird zwischen formativen und hybriden Verfahren unterschieden: Formative Fertigungsverfahren
Ein Gegenstand wird durch die Anwendung von mechanischen (Biegen, Pressen) oder thermischen Kräften (Sintern, und Gießen) geformt.

Hybride Fertigungsverfahren
Hier werden mehrere Verfahren miteinander vermischt.
Zurzeit wird zwischen drei Additiven Verfahrensgruppen unterschieden:
– dem Sinter- oder Pulverdruckverfahren (SLS, 3DP)
– dem Drucken mit verflüssigten Werkstoffen (Filament)
– dem Drucken mit flüssigen Werkstoffen (Stereolithographie)
 

Vorteile Additive Fertigungs

• Die Generierung der Schichtgeometrie erfolgt direkt aus den 3D-CAD-Daten (Computer-to-Print).
• Es ist kein Einsatz produktspezifischer Werkzeuge (Wechsel von Bohr- oder Fräseinheit während des Herstellungsprozess z. B. CNC) notwendig.
• Die Erzeugung der mechanisch-technologischen Eigenschaften (Stützkonstruktionen, verschiedene Materialien) geschieht während des Bauprozesses.
• Die Bauteile können grundsätzlich in jeder beliebigen Orientierung gebaut werden (Entfall der Um- oder Einspannproblematik).
• Alle heute auf dem Markt befindlichen Maschinen können das gleiche STL-Datenformat (Standardisierung) verarbeiten.
• Verlagerung des Produktionsorts
• Ersatzteilfertigung in seriennahen Werkstoffen (z.B. Oldtimer, Sonderanfertigungen).
• Herstellung kundenspezifischer Produkte, bedarfsorientiert, personalisiert und in kleinauflagen (Print-on-Demand).
• Anpassung und Flexibilität des Produktionszeitraums (MockUps, Prototypen, rapide Ergebnisrückmeldung)
• Kürzere Lieferzeiten, Änderungen in der Distribution bzw. Lagerung der Produkte
• Umsetzung neuartiger Konstruktionslösungen
• Herstellung von lntegralbauteilen (Gelenke, Scharniere, Kugellager)
• Abnehmende Losgrößen
• Zunehmende Qualität
• Wachsende Teilevielfallt / Personalisierung
• Höhere Teilekomplexität (smarte Ideen)
• Weniger Abfall als in anderen Herstellungsverfahren *sofern der Druck direkt gelingt*
• Nur das benötigte Material wird verbraucht
• Produktion auf Nachfrage möglich, Vermeidung unnötiger Überproduktion
• Produktion vor Ort möglich, dadurch weniger Logistik
• Individuelle Produktion
• Biologisch abbaubare Materialien *sollten jedoch kritisch hinterfragt werden*
– Nachwachsende Rohstoffe, z.B. Mais, Kartoffeln
– Polylactide: bestehend aus Milchsäuremolekülen
– Ton: nach dem Brennen sehr haltbar
– Papier: biologisch abbaubar, weltweit verfügbar, preisgünstig, nachwachsender Rohstoff, geregelter Kreislauf

 

Nachteile Additive Fertigung

• Durch die leichte Herstellungsweise besteht die Gefahr, dass die Produkte unbedacht und ohne Verwendung gedruckt werden
• Der Materialverbrauch steigt an
• Häufige Fehlproduktion oder Druckabbruch sorgt für Abfälle
• Bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien ist ein Recycling schwierig
• Bei kleinen Gegenständen, wie z.B. Handyhüllen, wenig Materialeinsparungen als vergl. im Spritzgussverfahren
• Massenproduktion ist mit 3D-Druckern nur bedingt möglich und nachhaltig
• Die Herstellung einiger Rohmaterialien kostet sehr viel Energie und es entsteht Co2
• Nicht alle Materialien sind ökologisch, umweltfreundlich und nachhaltig
• Lebensmittel als Druckmaterial – ethisch und moralisch vertretbar?*
• Auswirkungen auf die Gesundheit (Migrationseigenschaften, Dämpfe müssen abgezogen werden, UV-Schutz)
• Häufig sind Schutzmaßnahmen nicht getroffen
• Handreichungen, Anleitungen oder Sicherheitseinweisungen fehlen
 

Kriterien und Fragestellungen bei der Auswahl eines 3D-Druckers

Drucktechnologie
(Alltags- bzw. Produktionstauglichkeit)

Bauraum
(Maximale Bauraumgröße)
Baugröße X-Achse (Länge)
Baugröße Y-Achse (Breite)
Baugröße Z-Achse (Höhe)
Auflösung Z-Achse (Schrittauflösung/Inkrementalgeber) Gesamtgröße exkl. Spritzdüsen
Gesamtgröße inkl. Spritzdüsen

Druckkopf / Düse / Extruder
(Schichtauflösung)
Düsendurchmesser
Kolbenmaterial (Alu / Messing / Eisen)
Druckkopf Fahrgeschwindigkeit (mm/s) Druckgeschwindigkeit (min/max)
Toleranz (Riemenantrieb / Nachspann Vorrichtung)

Temperaturen
Düsentemperatur (min/max)
Aufheizzeit Düse (Heizpatrone 12V / 24V) Aufheizzeit Bauraumplatte (gleich-verteilt / -mäßig?)

Materialien
Materialkosten/-haltbarkeit
Materialauswahl (Unterstützte Materialien) Filamentdurchmesser
Aufwand in der Nachbearbeitung
Stützmaterial (Stützen entfernen)

Versorgung und Software
Unterstützte Dateitypen (STL)
Datentransfer: SD-Karte

Stromverbrauch
Eingang: V, A, Hz, W
Ausgang: V, DC, A
 
Anschaffungskosten des 3D-Druckers
Service, Support, Garantie, Instandhaltungskosten, Reparatur, Verschleiß
 

Gibt es Vorbilder in der Natur?

Muschel- und Schneckenschalen bestehen größtenteils aus Calciumcarbonat (Kalk).
Die Schneckenschale ist mehrschichtig aufgebaut. Das Calciumcarbonat findet sich in Form des Minerals Aragonit wieder.
Verkittet wird dieses durch Conchyn einem komplexen Protein. Die an der Mündung sitzenden Drüsen,
in denen das Conchiolin (Conchyn) produziert wird, arbeiten nur während des Wachstums der Schnecke.
Die Schnecke kann mit Hilfe von Kalk abscheidender Drüsenzellen seine Schale reparieren.


 
 

Anwendungsgebiete Additive Fertigung (3D-Druck)

Medizin
• Bioprinting für Tissue Engineering
(Gewebekonstruktion bzw. Gewebezüchtung)
• Implantate
• Prothesen
• Dentalmedizin
• Modelle für die Vorbereitung von Operationen
• Herstellung von Hörgeräten
• medizinische Versorgung (Pflege)

Wissenschaft und Forschung
• In Form von Nanoprinting
• Bioprinting
• Raumfahrtprojekten

Kunst, Mode und Schmuckproduktion
• Textilien
• Schmuck
• Gussvorlagen für Edelmetall-Schmuck
• Produktdesign Unikate
• Modedesign (Schmuck, Accessoires, Kleidung)
• Interior Design (Lampen, Stühle, Modularteile)
• Kunstwerke

Luft- und Raumfahrt
• Für die Erstellung leichter und hochstabiler Teile

Produktion
• Insb. in der Produktentwicklung
• Prototypen- und Modellentwicklung
• Werkzeugbau
• Ersatzteileherstellung (Oldtimer und co.)
• Kleinserien Produktion von Kunststoffprodukten
• Modellbau (Häuser, Bahn, Flugzeug, Schiff usw.)
• Fahrzeug- und Flugzeugbau

Lebensmittelbereich
• Tortenfiguren
• Eiscreme
• Süßwaren (derzeit noch sehr experimentell)

Baubranche
• Contour Crafting, mit dem Ziel ganze Gebäude zu drucken
• Architekturmodelle und technische Modelle
• Bauelemente in der Bautechnik
• Anschauungsmodelle

Bildung
• Education (Lernprodukte, Lehrmodelle)
• Berufliche Bildung (Fehleranalyse, mögliche Ausführungsvarianten, Evaluierung, Optimierung, technische Funktionsweisen, …)

Geschichte der 3D-Druck-Technologie
• Die Erfinder Charles W. Hull & Charles W. Lewis
• Pioniere im Bereich der additiven Fertigungsverfahren
• Stereolithografie
• 11.03.1986 (Veröffentlichungsnummer US4575330 A)
• Ein flüssiger Kunststoff, der durch einen Laserstrahl belichtet und punktuell verfestigt (polymerisiert) wird.

 

Fablabs

Entstehung
Der Begriff kommt aus dem englischen und steht für Fabrikationslabor.
Das erste Fablab wurde 2002 durch den amerikanischen Physiker und Informatiker Neil Gershenfeld am MIT gegründet.

Offene Werkstätten
• Produktionsmöglichkeiten für Privatpersonen
• Individuelle Fertigung, keine Massenproduktion
• Nach einer Einführung für jeden offen
• Nutzung in der Regel kostenlos, nur das verbrauchte Material muss gezahlt werden

Ausstattung
• Schneiden, Gravieren (Lasercutter, Folienschneider)
• Subtraktive Arbeiten (CNC-Lasercutter)
• Additive Arbeiten (3D-Drucker)
• Herstellen (Belichtungs- und Ätzgerät)
• Bestücken (Lötkolben) von Leiterplatten

FabCharter
• vom MIT herausgegeben
• International gültig
• Beinhaltet 6 festgelegte Regeln: Mission, Zugang, Bildung, Verantwortung, Geheimhaltung, Geschäft

Vorteile
• Zugang wird auch dort ermöglicht, wo es durch Herkunft, Bildung, Wohlstand oder Region sonst schwierig wäre
• Erhöhte Lebensqualität, dadurch dass Probleme konstruktiv gelöst werden
• Erhöhung der Bildungsgerechtigkeit
 
 

Fertigungsprozesskette

 

 
Kundenauftrag
Im Kundenauftrag sind die kunden- und produktspezifischen Anforderungen an einen Arbeitsauftrag definiert. Anforderungen sind: Maße und Abmessungen, Form, mechanische Funktionen, zu verwendende Werkstoffe, farbliche- sowie strukturelle Beschaffenheit des Produktes.

Visualisieren
Es werden die ersten Ansätze der Produktrealisation, sofern keine Daten vorhanden sind, anhand einfacher Skizzen oder technischer Zeichnungen (CAD) visualisiert und mit dem Auftraggeber besprochen.

Absprache mit dem Kunden
Sofern die Notwendigkeit einer weiteren Optimierung besteht,
kann der Arbeitsschritt der Visualisierung in Form einer Iterationsschleife wiederholt werden.

Arbeitsvorbereitung
Nach einer erfolgreichen Optimierung und einer Auftragsbestätigung seitens
des Auftragsgebers, folgen Prozessschritte der Arbeitsvorplanung. Diese lässt sich als planerische Herangehensweise an einen Arbeitsauftrag beschreiben. Ressourcen wie Materialen und verfahrensrelevante Komponenten wie Stützkonstruktionen werden geplant.

Konzipieren
Das Konzipieren gehört zu einer Herangehensweise, in der bestimmte Charakteristika, Funktionen und Erscheinungsbilder des zu konstruierenden Gegenstandes vorab festgelegt werden. Mögliche Fehler sind vor der Konstruktion aufzuspüren und zu beheben.

Konstruieren

Beim Konstruieren, wird der vorab konzipierte Gegenstand des Arbeitsauftrags virtuell in CAD modelliert. Sie dient als Leitfaden bei der Produktion. Zusätzlich werden vorab notwendige verfahrensspezifische Anforderungen wie Stützkonstruktionen, Bases oder Entlastungsschnitte berechnet und das konstruierte Modell ausgegeben (STL).

Materialien vorbereiten
Materialien werden herausgesucht und im Frontend eingestellt und beladen.

Schnittstelle
Die Daten (STL) werden entsprechend der Anforderungen (konstante Schichtdicke) schnitt-stellenspezifisch (SLC), als Maschinensprache (G-Code) ausgegeben und optimal auf der Bauplattform in Baurichtung platziert.

Herstellen
Herstellungsprozess des jeweiligen additiven Fertigungsverfahrens.

Nachbearbeiten
Nach der Berücksichtigung der jeweiligen Trocken- und Härtezeiten, folgt die Nachbearbeitung (Post-Processing). Stützkonstruktionen werden entfernt und das Produkt wird weiterverarbeitet.

Initiated Clearing Procedure
Dieser Prozess dient der Bereinigung des Arbeitsplatzes. Ein Folgeauftrag kann begonnen werden, ohne das Restbestände der alten Produktion die neue gefährden.

Überreichen
Die Gesamtprozesskette schließt mit der Übergabe ab.

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