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Fakultät für Naturwissenschaften Institut für Physik Computergestütztes Messen www.tu-chemnitz.deChemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Einführung 3D-Druck.

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1 Fakultät für Naturwissenschaften Institut für Physik Computergestütztes Messen ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Einführung 3D-Druck Grundlagen, Technik und Möglichkeiten

2 Computergestütztes Messen 3D-Druck 2 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Gliederung 1. Grundlegende Definitionen 2. Datenakquisition 3. Datenaufbereitung 4.Vorstellung der einiger Druckverfahren 5.Fazit und Ausblick 6. Diskussion ? 7.Quellenangaben

3 Computergestütztes Messen 3D-Druck 3 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Definition: Begriff für Produktionsverfahren, bei denen die Formgebung nicht durch Materialabtrag, sondern ausschließlich durch Schaffung des Zusammenhaltes durch Materialauftrag von formlosen Stoffen erfolgt Die Technologie, physische 3D Objekte aus digitalen Daten zu drucken, wurde 1984 von Charles Hull entwickelt (  Stereolithografie Patent 1986) Die Terminologie „3D-Druck“ wird erst seit Kurzem verwendet und steht als Oberbegriff für viele verschiedene Verfahrenstechniken Was ist 3D-Druck?

4 Computergestütztes Messen 3D-Druck 4 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Abb. 1 Charles Hull vor einem 3D-Drucker stehend

5 Computergestütztes Messen 3D-Druck 5 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst 3D-Druck = Additives Verfahren

6 Computergestütztes Messen 3D-Druck 6 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Herstellung der Bauteile erfolgt auf Basis von digitalen 3D-CAD-Daten Aufbau der Objekte erfolgt schichtweise Herstellung ohne Nutzung formgebender Werkzeuge Strukturen möglich, die nur generativ erzeugbar sind (keine „Hinterschneidungen“ wie bei den anderen Verfahren) Charakteristika von 3D-Drucktechniken

7 Computergestütztes Messen 3D-Druck 7 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Rapid Prototyping (RP): umfasst Verfahren, die im weiteren Sinne der Anschauung und dem Prototypenbau, also der Modellherstellung dienen  Vermeidung von Entwicklungsfehlern Rapid Tooling (RT): umfasst alle RP-Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Vorserien für Werkzeuge und Formen z.B. Erstellung von Spritzgussformen Rapid Manufacturing (RM): umfasst alle Prozessschritte und Verfahren zur Planung und Herstellung von Produkten mit (Klein-)Seriencharakter z.B. Erzeugung von passgenauen Implantaten, Hörgeräten, Zahnkronen etc. Strategien und Ziele des 3D-Drucks

8 Computergestütztes Messen 3D-Druck 8 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Branchen Maschinenbau Architektur Luft- und Raumfahrtindustrie Kunst und Design Medizin Landschaftsplanung/Architektur Verbraucherprodukte u.v.m. Anwendungsgebiete Konzeptmodelle Funktionale Prototypen Ersatzteile Kleinserien Präsentationsmittel u.v.m Branchen und Anwendungsbereiche

9 Computergestütztes Messen 3D-Druck 9 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Ablauf 3D-Druck

10 Computergestütztes Messen 3D-Druck 10 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Vermessung vorhandener Objekte: Messung von Lage und Größe realer Objekte mithilfe von: Optischer Kameras (2D oder 3D basiert) 3D-Laserscanner taktil arbeitende Messsysteme wie Infrarotscanner (Manuelle) Modellierung (Computer Aided Design – CAD): Modellierung via Software und Interaktionsgeräten (per Maus oder spezieller Zeichenpads) geometrische Strukturen Freiformkonstruktionen 1. Datenaquisition- Erzeugung eines 3D-Modells

11 Computergestütztes Messen 3D-Druck 11 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst

12 Computergestütztes Messen 3D-Druck 12 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Was wird kommuniziert? Volumenmodelle (Gitternetze) in Form von Dreiecken (tessellations) und deren Ausrichtung im Raum (Normale) Diese gesamten geometrischen Werte werden in definierter Form für die weitere Datenaufbereitung (Positionieren, Slicen) für den Bauprozess benötigt Wie wird kommuniziert? CAD-Programme erzeugen solche Modelle, oder wandeln 3D-Scans um erforderte Formate: STL, PLY, 3DS, OBJ, VRML etc. 2.1 Datenaufbereitung

13 Computergestütztes Messen 3D-Druck 13 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst STL (Standard Tesselation Language) Definition von Dreiecken und Ausrichtung (keine Dickeninformation) keine Bauteilspezifischen Eigenschaften (Kennwerte,Textur) Farbinformationen nur mit erweiterten Formaten (z.B. OBJ)  Dieses Format definiert exakt die Oberfläche/ den Aufbau des Modells Dateianforderungen an das Bauteil: „Wasserdichtheit“ = vollständig geschlossenes, als Dreiecksnetz definiertes 3D-Flächenobjekt ohne offene Stellen und Kanten  Objekt muss also mit „Stoff“ befüllbar sein möglichst hohe Polygonenanzahl (glatte Oberfläche) Verfahrensabhängige Kriterien beachten: z.B. min. Wandstärke

14 Computergestütztes Messen 3D-Druck 14 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Beispielhafte Polygonisierung Korrekturverfahren bei Krümmungen

15 Computergestütztes Messen 3D-Druck 15 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Erstelltes 3D-Modell aus CAD-Programm  „Bounding Box“ = Grenzen d. Modells

16 Computergestütztes Messen 3D-Druck 16 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst „ Messpunkt-Ansicht“ des Modelles  Polygonisierung  exportfertiges Modell in.stl

17 Computergestütztes Messen 3D-Druck 17 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst unabhängig von den verschiedenen 3D-Technologien, müssen die so erhaltenen STL Files müssen mit einer sogenannten Slicing-Software (CAM Software) in ein Datenformat übersetzt werden, mit dem der 3D- Drucker arbeiten kann. mittels CAM-Software erfolgt die Positionierung auf dem Druckeruntergrund (manuell) und die räumliche Ausrichtung  Kalibrierung „Slicing“  Die Software „schneidet“ das 3D-Modell zum Schluss in einzelne „2D-Scheiben“ (Dicke variiert je nach Verfahren/ Einstellung), die jetzt nach und nach übereinander gedruckt werden können 2.2 Weitere Schritte

18 Computergestütztes Messen 3D-Druck 18 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Die oftmals nötigen Stützstrukturen, werden meist automatisch berechnet und hinzugefügt, können aber manuell angepasst werden Weiterhin wird bereits eine sinnvolle Führung des Extruders berechnet und die nötige Druckrohstoffmenge Das Ergebnis ist ein File im G-Code, welches zum Schluss von der druckerinternen Software interpretiert und ausgeführt wird  Beginn des Bauprozesses 2.2 Weitere Schritte

19 Computergestütztes Messen 3D-Druck 19 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst

20 Computergestütztes Messen 3D-Druck 20 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Selektives Lasersintern/schmelzen Fused Deposition Modelling Stereolithographie CLIP- Continuous Liquid Interface Production 3. Bauprozess- verschiedene Druckverfahren im Vergleich

21 Computergestütztes Messen 3D-Druck 21 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM ab 1995) Ø Schichtdicken ~ µm

22 Computergestütztes Messen 3D-Druck 22 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Vorteile: Große Materialpalette: Kunststoffe, Metalle, Metall- Polymerpulver, Quarz- /Zirkonsande Erzeugung von mechanisch/thermisch stark belastbaren Teilen möglich hohe Wiederverwendungsrate des thermisch nicht belasteten Pulvers Nachteile: Stützstrukturen bei Metallen (Ableiten thermische Energie)  Nachbearbeitung durch Wärmeleitung können nicht zum Bauteil gehörende Partikel kleben bleiben tw. Gas-Atmosphäre notwendig um Oxidation zu verhindern und Beheizung des Pulverbettes  hohe Betriebskosten Spannung in Objekten durch hohe Temperaturdifferenzen /Schrumpfen SLS/SLS

23 Computergestütztes Messen 3D-Druck 23 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Fused Deposition Modelling - Schmelzschichtung(FDM) Ø- Schichtdicken ~ µm

24 Computergestütztes Messen 3D-Druck 24 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Vorteile: große Materialpalette (diverse Kunststoffe; tw. schon niedrig schmelzende Metalle) Verwendung unterschiedlicher Materialien durch mehrere Extruder möglich Verdrucken von großen Volumenmengen möglich Nachteile: Auflösung abhängig von Extrusionsbreite (große EB  hohe Baurate  geringe Auflösung) Düsen neigen zum Verstopfen Stützkonstruktionen notwendig  Nachbearbeitung Bei Standard–Kunststoffen Bauteile nicht sehr belastbar FDM

25 Computergestütztes Messen 3D-Druck 25 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Stereolithografie (1982) typische Schichtdicken: µm

26 Computergestütztes Messen 3D-Druck 26 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Vorteile: sehr Hohe Auflösung (Strahldurchmesser  bis nm- Bereich) große Bauteile möglich  in Teilen drucken+ zusammenkleben mit gleichem photosensiblem Material & UV- Quelle  mechanische und visuelle Eigenschaften der Trennstellen kaum unterscheidbar Hohlräume möglich Nachteile: Kleine Materialpalette Zweistufiger Prozess: 1. Druck  95 %Vernetzung 2. Reinigung mit Lösungsmitteln + Aushärtung in UV-Kammer teilweise Stützstrukturen nötig  Nachbearbeitung Stereolithografie

27 Computergestütztes Messen 3D-Druck 27 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Neuer Ansatz : CLIP-Verfahren (2015)

28 Computergestütztes Messen 3D-Druck 28 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Vorteile: 25 bis 100 mal schneller als bislang bekannte 3D-Druck Methoden sehr hohe Auflösungen möglich recht Hohe Materialpallette (diverse Arten von Polymeren  flexible als auch feste, resistente Objekte in konstanter Qualität) Nachteile: neue Technologie  steckt noch in Kinderschuhen CLIP

29 Computergestütztes Messen 3D-Druck 29 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Video

30 Computergestütztes Messen 3D-Druck 30 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst spannende Technologie, die sich schnell (weiter-)entwickelt bietet viel Raum für Kreativität (z.B. Lebensmitteldrucker, Bio-Drucker,…) riesiger Anwendungsbereich (z.B „individuelle“ Medizin, Hausbau u.v.m.) ungeahnte Gestaltungsmöglichkeiten …. Fazit

31 Computergestütztes Messen 3D-Druck 31 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Probleme bisher: langsame Bauraten  bisher keine Massenproduktion begrenztes Bauvolumen oft Nachbearbeitung notwendig Materialvielfalt noch zu gering zurzeit noch eher ein Nischenmarkt Fazit

32 Computergestütztes Messen 3D-Druck 32 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Vergrößerung der Bauräume (  größere Teile, mehrere Teile gleichzeitig) Ziel= Erhöhung der Baugeschwindigkeit + Verbesserung der Auflösung Kombination unterschiedlicher Materialien in einem Objekt verbessern Optimierung der Druckmaterialien (mechanische / optische Eigenschaften, Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands, z.B. lösliches Stützmaterial)  generell Materialvielfalt erhöhen Geschäftsmodelle entwickeln sich noch man erhofft sich z.B. vom CLIP verfahren die industrielle Revolution, die bislang ausgeblieben ist Ausblick

33 Computergestütztes Messen 3D-Druck 33 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Versicherungsproblematik z.B. Verliere ich die Garantie wenn ich mir Ersatzteile drucke? Vermeidung von Gefahrenpotenzialen (Waffenproduktion) Schutz des geistigen Eigentums etc. Diskussionspunkte

34 Computergestütztes Messen 3D-Druck 34 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit

35 Computergestütztes Messen 3D-Druck 35 Chemnitz ∙ 15. Juni 2015 ∙ Simon Hurst / replikator.740.de.html?dram:article_id= https://web.archive.org/web/ /http://www.ftd.de/karriere/management/:innovative- produktion-3-d-druck-sprengt-grenzen-herkoemmlicher-fertigungsverfahren/ html ntrale_Produktion_3D-Druck_und_Nachhaltigkeit.pdf Quellen


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