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

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Einführung 3D-DruckGrundlagen, Technik und Möglichkeiten

Computergestütztes Messen3D-Druck

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Gliederung1. Grundlegende Definitionen2. Datenakquisition3. Datenaufbereitung4.Vorstellung der einiger Druckverfahren5.Fazit und Ausblick6. Diskussion ?7.Quellenangaben



Definition:Begriff für Produktionsverfahren, bei denen die Formgebung nicht durch Materialabtrag, sondern ausschließlich durch Schaffung des Zusammenhaltes durch Materialauftrag von formlosen Stoffen erfolgtDie 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?



Abb. 1 Charles Hull vor einem 3D-Drucker stehend



3D-Druck = Additives Verfahren



•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



Rapid Prototyping (RP): umfasst Verfahren, die im weiteren Sinne der Anschauung und dem Prototypenbau , also der Modellherstellung dienen Vermeidung von EntwicklungsfehlernRapid Tooling (RT): umfasst alle RP-Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Vorserien für Werkzeuge und Formenz.B. Erstellung von SpritzgussformenRapid Manufacturing (RM): umfasst alle Prozessschritte und Verfahren zur Planung und Herstellung von Produkten mit (Klein-)Seriencharakterz.B. Erzeugung von passgenauen Implantaten, Hörgeräten, Zahnkronen etc.

Strategien und Ziele des 3D-Drucks



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



Ablauf 3D-Druck



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





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 benötigtWie wird kommuniziert?•CAD-Programme erzeugen solche Modelle, oder wandeln 3D-Scans um•erforderte Formate: STL, PLY, 3DS, OBJ, VRML etc.

2.1 Datenaufbereitung



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



Beispielhafte Polygonisierung

Korrekturverfahren bei Krümmungen



Erstelltes 3D-Modell aus CAD-Programm „Bounding Box“ = Grenzen d. Modells



„ Messpunkt-Ansicht“ des Modelles Polygonisierung exportfertiges Modell in .stl



•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



•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





• Selektives Lasersintern/schmelzen

• Fused Deposition Modelling

• Stereolithographie

• CLIP- Continuous Liquid Interface Production

3. Bauprozess- verschiedene Druckverfahren im Vergleich



Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM ab 1995)

Ø Schichtdicken ~20-100 µm



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



Fused Deposition Modelling - Schmelzschichtung(FDM)

Ø-Schichtdicken ~25-1000 µm



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



Stereolithografie (1982)

typischeSchichtdicken:10-100 µm



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. Druck95

%Vernetzung2. Reinigung mit

Lösungsmitteln + Aushärtung in UV-Kammer

• teilweise Stützstrukturen nötig Nachbearbeitung

Stereolithografie



Neuer Ansatz : CLIP-Verfahren (2015)



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



Video



•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



Probleme bisher:•langsame Bauraten bisher keine Massenproduktion •begrenztes Bauvolumen

•oft Nachbearbeitung notwendig

•Materialvielfalt noch zu gering

•zurzeit noch eher ein Nischenmarkt

Fazit



•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



•Versicherungsproblematik z.B. Verliere ich die Garantie wenn ich mir Ersatzteile drucke?•Vermeidung von Gefahrenpotenzialen (Waffenproduktion)•Schutz des geistigen Eigentums etc.

Diskussionspunkte



Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit



http://3druck.com/drucker-und-produkte/clip-neues-unglaublich-schnelles-3d-druckverfahren-0331062/ http://3druck.com/3d-drucker-software-und-programme/http://de.wikipedia.org/wiki/Gitter_(Geometrie)#Dreiecksgitterhttp://www.3ddinge.de/was-ist-3ddruck/http://www.leomess.com/faq/was-sind-stl-datenhttp://www.deutschlandfunk.de/3d-druck-manuskript-revolution-aus-dem-replikator.740.de.html?dram:article_id=276365http://edition.cnn.com/2014/02/13/tech/innovation/the-night-i-invented-3d-printing-chuck-hall/https://web.archive.org/web/20130609052359/http://www.ftd.de/karriere/management/:innovative-produktion-3-d-druck-sprengt-grenzen-herkoemmlicher-fertigungsverfahren/60153583.htmlhttp://www.ioew.de/fileadmin/user_upload/DOKUMENTE/Publikationen/Schriftenreihe/IOEW_SR_206_Dezentrale_Produktion_3D-Druck_und_Nachhaltigkeit.pdf

Quellen

Documents

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