3D-Druck und Design - hlb-labor.de Druck+Design_10.pdf · Embedded Systems SS2014 3D Druck und Design Ablauf Was ist 3D Druck? 3D Drucker Einsatzgebiete 3D Druckverfahren Selektives

Embedded Systems SS2014

3D Druck und Design

3D-Druck und Design

Dipl.-Informatiker Gregor Rebel1


3D Druck und Design Ablauf

Was ist 3D Druck? 3D Drucker Einsatzgebiete 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen Elektronenstrahlschmelzen Selektives Lasersintern Stereolithografie Digital Light Processing Polyjet-Modeling Fused Deposition Modeling Ablauf 3D-Entwurf Die CAD Software FreeCAD Slicing2 Dipl.-Informatiker Gregor Rebel

Gedruckte Elektronik Innere Struktur Gesellschaftliche

Auswirkungen


3D Druck und Design Was ist 3D Druck?

Erstellung dreidimensionaler Gegenstnde Verwendung eines 3D Druckers Rechnergesteuerter Prozess Beginnt mit 3D Modell

Typische Rohstoffe:Kunststoffe, Kunststoffharze, Keramiken, Metalle

Gegenstnde erstellt mittels Physikalischer Hrtung Chemischer Hrtung Schmelzprozess

3 Dipl.-Informatiker Gregor Rebel


3D Druck und Design 3D Drucker

Unterklasse eines Digitalen Fabrikators Ein Gert das materielle Gegenstnde direkt aus einem digitalen CAD Modell erstellt.

Gegenstnde direkt erstellt Keine aufwendigen Gussformen bentigt

(Formlose Fertigung) Kein Verschnitt von Ausgangsrohstoffen Wesentlich flexibler Geringerer Energieverbrauch Innere Struktur fest und leicht



3D Druck und Design Einsatzgebiete

Prototypenentwurf Kunst und Design Architektur Modellbau Maschinenbau

Massenfertigung Flug- und Raumfahrtindustrie Medizin und Zahntechnik Verpackungsindustrie Bioprinting



3D Druck und Design 3D Druckverfahren

Metalle Selektives Laserschmelzen Elektronenstrahlschmelzen

Polymere/ Keramiken Selektives Lasersintern

Flssige Kunstharze Stereolithografie Digital Light Processing

Kunststoffe Polyjet-Modeling Fused Deposition Modeling



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen

Pulverfrmige Rohstoffe (Metalle) Pulver in dnner Schicht auf Platte Selektive Schmelze durch Laserstrahl Platte schrittweise abgesenkt Erneuter Schichtauftrag Vorgang wiederholt




Druckvorgang in Schutzatmsphre(Argon, Stickstoff)

Fertiges Bauteil von berschssigem Pulver befreit Restpulver zu 100% wiederverwendbar Typische Schichtstrken 20 100 um Groe Bauteildichten (> 99 %) Gedruckte Gegenstnde verhalten sich hnlich zu

gegossenen Bauteilen Hybridbauweise

Kombiniert 3D Druck mit herkmmlichen Verfahren 3D Druck auf anderes Bauteil aufgedruckt




Werkstoffe

Edelstahl Werkzeugstahl Aluminium und Aluminiumlegierungen Titan und Titanlegierungen Chrom-Cobalt-Molybdn-Legierungen Bronzelegierungen Edelmetalllegierungen Nickelbasislegierungen Kupferlegierungen Keramik Kunststoffe (Lasersintern)




Laserschmelzen

Herauslsen aus Pulver




Anwendungsgebiete

Luft- und Raumfahrt Automobiltechnik Dentaltechnik (Zahnersatz, Implantate) Medizintechnik (Medizinische Gerte, Endoskopie,

Implantate oder Orthopdie) Maschinenbau Werkzeugbau Lifestyle Produkte, wie Schmuck, Mode, Schuhe, Uhren Prototypenbau, wie: Rapid Prototyping bionisch ausgelegte Leichtbauteile (Knochenstruktur) Kleinserien fr den Rennsport Technische Bauteile aus Metall



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Elektronenstrahlschmelzen

hnlich Selektivem Laserschmelzen

Prozess im Hochvakuum

Pulverfrmige Rohstoffe (Metalle)

Rohstoff in dnner Schicht auf Platte

Selektive Schmelze mit Elektronenstrahl

Platte schrittweise abgesenkt

Erneuter Schichtauftrag

Vorgang wiederholt12 Dipl.-Informatiker Gregor Rebel


3D Druck und Design 3D Druckverfahren Elektronenstrahlschmelzen

Werkstoffe Titan Cobalt-Chrome

Maximale Baugre: 20 x 20 x 18 cm Vorteile

Produziertes Bauteil frei von Verspannungen Hohe Strukturauflsung (Strahlgre 100 m)

Nachteile Hoher Energiebedarf (Arcam Q10: 3x 400V 32A) Geringe Baugren



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Lasersintern

Verfahren hnlich Selektivem Laserschmelzen Feinkrnige keramische/ metallische Rohstoffe Material bis unter Schmelztemperatur erhitzt Krner verbacken miteinander Kein komplettes Aufschmelzen Werkstoffe

- Thermoplaste- Kunststoffbeschichteter Sand- Metall-/ Keramikpulver

Auflsung < 30 m Anwendungen

- Spezialwerkzeuge- Rapid-Prototyping- Zahninlays- Turbinenschaufeln



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Lasersintern

Mikrobauteil mit innenliegendem Kanal aus Wolfram

CAD-Modell

Bauteil



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Stereolithografie

Altgriechisch- Stereos = hart, fest, krperlich, rumlich- Lithos = Stein- Graphein = Schreiben

Lichtaushrtender Kunststoff (Photopolymer)

Laser hrtet dnne Schicht Plattform wird abgesenkt Nachhrtung ntig Sttzstrukturen fr

berhnge



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Stereolithografie

Anwendungen- Maschinenbau (Prototypen)- Medizin (individuelle Hrgerte)- Rapid Manufacturing- Gussmodelle- Architekturmodelle

Max. Auflsung- typisch 100 m - spezielle Verfahren: 1 m

Nachteile- nur spezielle Kunststoffe- teurer als FDM-Verfahren

Kopie: Venus vom Hohle Fels



33D Druck und Design 3D Druckverfahren Digital Light Processing

Verfahren hnlich Stereolithografie Anstatt Laser handelsblicher DLP-Projektor DLP-Projektoren lichtstrker als LCD-Projektoren Bild von unten in transparente Wanne projiziert Objekt kopfber nach oben herausgezogen Kostengnstiger als Stereolithografie Viele Do-It-Yourself DLP-Drucker verfgbar Schneller Druck (Parallelbelichtung) Auflsung abhngig von Belichtungsflche

Kleine Belichtungsflche feine Strukturen

Video 1: DLP-DIY 3D-Printer


http://www.youtube.com/watch?v=snOErpOP5Xk


3D Druck und Design 3D Druckverfahren Polyjet-Modeling

Auch: Multi Jet Modeling Bauteil mittels linear angeordneter Dsen gedruckt Dsen in Druckkopf hnlich Tintenstrahldrucker Auflsung von 450 dpi mglich Werkstoffe

- Wachse- Photopolymere

Wachs auch als Sttzmaterial Vorteile

- kompakte Bauform Nachteile

- geringe Baugren- geringe Materialauswahl

Max Auflsung 40 m



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Polyjet-Modeling



3D Druck und Design 3D Druckverfahren Fused Deposition Modeling

Drahtfrmiger Thermoplast Durch heise Dse extrudiert Extruder verfhrt ber Bett Kunststoff verklebt miteinander Bett schichtweise abgesenkt Max Auflsung 200 m Vorteile

- Groe Auswahl verschiedener Kunststoffe- Gnstigstes 3D-Druck Verfahren- Im Heimbereich weit verbreitet- Bauteilgre nur von Verfahrweg abhngig

Nachteile- Geringe Auflsung- Groe Objekte lange Druckzeit





FDM-DruckerProtos V2 vonGerman Rep Rap

Video 2: Ultimaker

https://shop.germanreprap.com/de/PRotos-v2-3D-Drucker-Komplettbausatzhttp://www.youtube.com/watch?v=P1_FancFWas



Drahtfrmiger Thermoplast Durch heise Dse extrudiert Extruder verfhrt ber Bett Kunststoff verklebt miteinander Bett schichtweise abgesenkt Max Auflsung 200 m Vorteile

- Groe Auswahl verschiedener Kunststoffe- Gnstigstes 3D-Druck Verfahren- Im Heimbereich weit verbreitet- Bauteilgre nur von Verfahrweg abhngig

Nachteile- Geringe Auflsung- Groe Objekte lange Druckzeit



3D Druck und Design

3D Design



3D Druck und Design Ablauf 3D-Druck

3D-Entwurf mit CAD-Software FreeCAD, AutoCAD, OrCAD, ...

Export 3D-Objekt in STL-Format Enthlt einen Druckauftrag

Slicen in GCODE-Format Generischer Maschinencode Kopfbewegungen, Materialvorschub, Temperaturen

GCODE an Drucker bertragen Direkte Ausfhrung und Umsetzung in 3D-Druck



3D Druck und Design FreeCAD


Parametrisches 3D Zeichenprogramm Multi Plattform Software Viele Dateiformate (STEP, IGES, STL, DXF, ...) Open Source Anwenderkreis

Heimanwender und Hobbyisten Erfahrende CAD-Anwender Programmierer

Nachteil: Zum Teil noch fehlerhaft http://freecadweb.org/


FreeCAD Arbeitsbereiche


Part Boolesche

Operationen

Part Design Skizzen basiert Hauptbereich


FreeCAD Skizzen


Neue Skizze erstellen


FreeCAD Skizzen


Grundlage von 3D-Operationen

Orientierung In Ebene Auf Oberflche


FreeCAD Skizze / Zeichenwerkzeuge


Punkt

Einzelnen Punkt setzen

Verbindet Linien




Teilkreis

Mittelpunkt + Endpunkte

Kreispunkt + Endpunkte




Vollkreis

Mittelpunkt + Radius

3 Kreispunkte




Linie

Einzelne Linie

Zwei Endpunkte




Multilinie

Linienzug ohne Absetzen

Segmentzahl + 1 Endpunkte




Rechteck

Vier orthogonale Linien




Lngsloch

Zwei horizontale Linien

Zwei Halbkreise




Kante abrunden

Zwei benachbarte Linienanwhlen

Wandelt Ecke in Teilkreis

bergnge als Tangenten




Linie trimmen

Schneidet Line ankreuzender Linie

Getrimmte Linie endetauf kreuzender Linie




Konstruktionsmodusumschalten

Hilfslinien wichtigesKonstruktionsmittel

Hilfslinien definierenGeometrie

1. Linien anwhlen




Konstruktionsmodusumschalten

Hilfslinien wichtigesKonstruktionsmittel

Hilfslinien definierenGeometrie

1. Linien anwhlen2. Konstruktionsmodus umschalten


FreeCAD Skizze / Beschrnkungen


Jeder eindimensionale Objektparameter ein Freiheitsgrad Punkt hat zwei Koordinaten

=> zwei Freiheitsgrade Line hat zwei Punkte

=> vier Freiheitsgrade Kreis hat einen Punkt + Radius

=> Drei Freiheitsgrade Beschrnkungen reduzieren Freiheitsgrade Ziel: Vollstndig beschrnkte Szene




Koinzidenz

Vereint >= 2 Punkte

1. Punkte auswhlen

2. Koinzidenz- beschrnkung




Punkt auf Objekt

Legt Punkt auf Linie

1. Punkte auswhlen

2. Linie auswhlen

3. Punkt auf Objekt




Vertikale Linie

Linie senkrecht stellen

1. Linie auswhlen

2. Vertikale Linie




Horizontale Linie

Linie waagerecht stellen

1. Linie auswhlen

2. Horizontale Linie




Parallele Linien

>=2 Linien parallel

1. Linien auswhlen

2. Parallele Linien




Senkrechte Linien

2 Linien senkrechtzueinander

1. Linien auswhlen

2. Senkrechte Linien




Tangente

Linie als Kreistangent

1. Linie auswhlen

2. Kreis auswhlen

3. Tangente




Tangente


1. Linie auswhlen

2. Kreis auswhlen

3. Tangente




Tangente


1. Linie auswhlen

2. Kreis auswhlen

3. Tangente

Kombination mitPunkt auf ObjektLiefert Tangente aufKreis




Gleichheit

Gleiche Lnge/Gleicher RadiusMehrerer Objekte

1. Gleichartige Objekte auswhlen

2. Gleichheit




Symmetrie

Punkt mittig auf Linie

1. Punkt auf Line auswhlen

2. Linie auswhlen

3. Symmetrie




Sperrung

Punkt in beidenKoordinaten fixieren

1. Punkt auswhlen

2. Sperrung




HorizontalerAbstand

X-Abstand zwischen Zwei Punkten

1. 2 Punkte / Line auswhlen

2. Horizontaler Abstand




HorizontalerAbstand

X-Abstand zwischen Zwei Punkten


2. Horizontaler Abstand




VertikalerAbstand

Y-Abstand zwischen Zwei Punkten


2. Vertikaler Abstand




Lnge

Lnge von Linien

1. Line auswhlen

2. Lnge




Radius

Radius von Kreisen/Teilkreisen

1. Kreis auswhlen

2. Radius




Winkel

Winkel zwischen Linien

1. Linien auswhlen

2. Winkel




Beispiel

Linien Teilkreise Kreise Hilfslinien Horizontal Vertikal Symmetrie Punkt auf Linie Winkel Radius Lngen Abmessungen


FreeCAD Skizze / Organisation


Baumdiagramm Skizzen und Objekte Sprechende Namen!

(Umbenennen mit F2)


FreeCAD Skizze / Aufgaben


Aufgabe erstellt 3D-Objekt

1. Skizze whlen

2. Aufgabe whlen Block

Lnge eingebenSymmetrischUmgekehrt

Tasche Drehen Nuten





(Umbenennen mit F2) Tip: Objektnamen

von Skizzennamen ableiten.


FreeCAD Operation an 3D-Objekt


1. Flche whlen

2. Skizze erstellen

3. Aufgabe whlen Block Tasche


Drehen Nuten




1. Flche whlen

2. Skizze erstellen



Drehen Nuten




1. Flche whlen

2. Skizze erstellen


Lnge eingeben/Durch alles

Drehen Nuten




1. Flche whlen

2. Skizze erstellen



Drehen Nuten





(Umbenennen mit F2) Tipp: Namen zeigen

Objektaufbau


FreeCAD Rotation


Analog Drehbank

1. Skizze erstellen Querschnitt zeichnen



Drehen Nuten


FreeCAD Rotation


Analog Drehbank




Drehen Nuten





(Umbenennen mit F2) Getrennte Objekte

Getrennte Namen


FreeCAD Rotation


Analog Drehbank




Drehen Nuten


3D Druck und Design Slicing

3D-Objekt Maschinenbefehle Erkennung Modellabmessungen Objektplatzierung auf Druckplatte GCODE von Druckart abhngig

FDM: Objekt aus Draht DLP: Objekt aus Pixelebenen

Bekannte Software TUI: Skainforge, Slic3r GUI: Repetierhost, ReplicatorG, Slic3r




STL-Datei geladen




STL in GCODE gesliced



3D Druck und Design Innere Struktur

Herkmmliche Verfahren erzeugen massive Objekte Schwer Hoher Rohstoffverbrauch Innere Hohlrume/ Strukturen aufwendig

3D Druck Einstellbarer Infill Infill automatisch per Software berechnet Innere Strukturen mitgedruckt Kombinierter Prozess kann Objekte einbetten



3D Druck und Design Innere Struktur

10% Infill lt Objekte innen praktisch hohl



3D Druck und Design Gesellschaftliche Auswirkungen

Produktionsprozesse verlagern zum Konsumenten Beschleunigung von Innovationsprozessen Umstrittene These: Dritte industrielle Revolution Druck von Waffenteilen durch Cody Wilson Umbau des Transportwesens

Wie kommen Rohstoffe zu den Druckern? Mehr dezentrale Produktionssttten

Diskussion um Copyright auf 3D Modelle



3D Druck und Design Fragen?

Vielen Dank!


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