3D Druck und Design. 3D-Druck und Design. Dipl.-Informatiker Gregor Rebel

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1 3D Druck und Design 3D-Druck und Design 1

2 3D Druck und Design 2 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 Slicing Gedruckte Elektronik Innere Struktur Gesellschaftliche Auswirkungen

3 3D Druck und Design Was ist 3D Druck? Erstellung dreidimensionaler Gegenstände Verwendung eines 3D Druckers Rechnergesteuerter Prozess Beginnt mit 3D Modell Typische Rohstoffe: Kunststoffe, Kunststoffharze, Keramiken, Metalle Gegenstände erstellt mittels Physikalischer Härtung 3 Chemischer Härtung Schmelzprozess

4 3D Druck und Design 3D Drucker Unterklasse eines Digitalen Fabrikators Ein Gerät das materielle Gegenstände direkt aus einem digitalen CAD Modell erstellt. Gegenstände direkt erstellt 4 Keine aufwendigen Gussformen benötigt (Formlose Fertigung) Kein Verschnitt von Ausgangsrohstoffen Wesentlich flexibler Geringerer Energieverbrauch Innere Struktur fest und leicht

5 3D Druck und Design Einsatzgebiete Prototypenentwurf Kunst und Design Architektur Modellbau Maschinenbau Massenfertigung Flug- und Raumfahrtindustrie 5 Medizin und Zahntechnik Verpackungsindustrie Bioprinting

6 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Metalle Selektives Laserschmelzen Elektronenstrahlschmelzen Polymere/ Keramiken Selektives Lasersintern Flüssige Kunstharze Stereolithografie Digital Light Processing Kunststoffe Polyjet-Modeling 6 Fused Deposition Modeling

7 3D Druck und Design 7 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen Pulverförmige Rohstoffe (Metalle) Pulver in dünner Schicht auf Platte Selektive Schmelze durch Laserstrahl Platte schrittweise abgesenkt Erneuter Schichtauftrag Vorgang wiederholt

8 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen Druckvorgang in Schutzatmösphäre (Argon, Stickstoff) Fertiges Bauteil von überschüssigem Pulver befreit Restpulver zu 100% wiederverwendbar Typische Schichtstärken um Große Bauteildichten (> 99 %) Gedruckte Gegenstände verhalten sich ähnlich zu gegossenen Bauteilen Hybridbauweise Kombiniert 3D Druck mit herkömmlichen Verfahren 8 3D Druck auf anderes Bauteil aufgedruckt

9 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen Werkstoffe 9 Edelstahl Werkzeugstahl Aluminium und Aluminiumlegierungen Titan und Titanlegierungen Chrom-Cobalt-Molybdän-Legierungen Bronzelegierungen Edelmetalllegierungen Nickelbasislegierungen Kupferlegierungen Keramik Kunststoffe (Lasersintern)

10 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen Laserschmelzen Herauslösen aus Pulver 10

11 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen Anwendungsgebiete 11 Luft- und Raumfahrt Automobiltechnik Dentaltechnik (Zahnersatz, Implantate) Medizintechnik (Medizinische Geräte, Endoskopie, Implantate oder Orthopädie) Maschinenbau Werkzeugbau Lifestyle Produkte, wie Schmuck, Mode, Schuhe, Uhren Prototypenbau, wie: Rapid Prototyping bionisch ausgelegte Leichtbauteile (Knochenstruktur) Kleinserien für den Rennsport Technische Bauteile aus Metall

12 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Elektronenstrahlschmelzen Ähnlich Selektivem Laserschmelzen Prozess im Hochvakuum Pulverförmige Rohstoffe (Metalle) Rohstoff in dünner Schicht auf Platte Selektive Schmelze mit Elektronenstrahl Platte schrittweise abgesenkt Erneuter Schichtauftrag Vorgang wiederholt 12

13 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Elektronenstrahlschmelzen Werkstoffe Titan Cobalt-Chrome Maximale Baugröße: 20 x 20 x 18 cm Vorteile Produziertes Bauteil frei von Verspannungen Hohe Strukturauflösung (Strahlgröße 100 μm) Nachteile 13 Hoher Energiebedarf (Arcam Q10: 3x 400V 32A) Geringe Baugrößen

14 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Lasersintern Verfahren ähnlich Selektivem Laserschmelzen Feinkörnige keramische/ metallische Rohstoffe Material bis unter Schmelztemperatur erhitzt Körner verbacken miteinander Kein komplettes Aufschmelzen Werkstoffe - Thermoplaste - Kunststoffbeschichteter Sand - Metall-/ Keramikpulver Auflösung < 30 μm Anwendungen - Spezialwerkzeuge - Rapid-Prototyping - Zahninlays - Turbinenschaufeln 14

15 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Lasersintern Mikrobauteil mit innenliegendem Kanal aus Wolfram CAD-Modell Bauteil 15

16 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Stereolithografie Altgriechisch - Stereos = hart, fest, körperlich, räumlich - Lithos = Stein - Graphein = Schreiben Lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer) Laser härtet dünne Schicht Plattform wird abgesenkt Nachhärtung nötig Stützstrukturen für Überhänge 16

17 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Stereolithografie Anwendungen - Maschinenbau (Prototypen) - Medizin (individuelle Hörgeräte) - Rapid Manufacturing - Gussmodelle - Architekturmodelle Max. Auflösung - typisch 100 μm - spezielle Verfahren: 1 μm Nachteile - nur spezielle Kunststoffe - teurer als FDM-Verfahren Kopie: Venus vom Hohle Fels 17

18 33D Druck und Design 3D Druckverfahren Digital Light Processing Verfahren ähnlich Stereolithografie Anstatt Laser handelsüblicher DLP-Projektor DLP-Projektoren lichtstärker als LCD-Projektoren Bild von unten in transparente Wanne projiziert Objekt kopfüber nach oben herausgezogen Kostengünstiger als Stereolithografie Viele Do-It-Yourself DLP-Drucker verfügbar Schneller Druck (Parallelbelichtung) Auflösung abhängig von Belichtungsfläche Kleine Belichtungsfläche feine Strukturen Video 1: DLP-DIY 3D-Printer 18

19 3D Druck und Design 19 3D Druckverfahren Polyjet-Modeling Auch: Multi Jet Modeling Bauteil mittels linear angeordneter Düsen gedruckt Düsen in Druckkopf ähnlich Tintenstrahldrucker Auflösung von 450 dpi möglich Werkstoffe - Wachse - Photopolymere Wachs auch als Stützmaterial Vorteile - kompakte Bauform Nachteile - geringe Baugrößen - geringe Materialauswahl Max Auflösung 40 μm

20 3D Druck und Design 20 3D Druckverfahren Polyjet-Modeling

21 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Fused Deposition Modeling Drahtförmiger Thermoplast Durch heise Düse extrudiert Extruder verfährt über Bett Kunststoff verklebt miteinander Bett schichtweise abgesenkt Max Auflösung 200 μm Vorteile - Große Auswahl verschiedener Kunststoffe - Günstigstes 3D-Druck Verfahren - Im Heimbereich weit verbreitet - Bauteilgröße nur von Verfahrweg abhängig Nachteile - Geringe Auflösung - Große Objekte lange Druckzeit 21

22 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Fused Deposition Modeling FDM-Drucker Protos V2 von German Rep Rap Video 2: Ultimaker 22

23 3D Druck und Design 3D Druckverfahren Fused Deposition Modeling Drahtförmiger Thermoplast Durch heise Düse extrudiert Extruder verfährt über Bett Kunststoff verklebt miteinander Bett schichtweise abgesenkt Max Auflösung 200 μm Vorteile - Große Auswahl verschiedener Kunststoffe - Günstigstes 3D-Druck Verfahren - Im Heimbereich weit verbreitet - Bauteilgröße nur von Verfahrweg abhängig Nachteile - Geringe Auflösung - Große Objekte lange Druckzeit 24

24 3D Druck und Design 3D Design 25

25 3D Druck und Design Ablauf 3D-Druck 3D-Entwurf mit CAD-Software Export 3D-Objekt in STL-Format Enthält einen Druckauftrag Slicen in GCODE-Format Generischer Maschinencode Kopfbewegungen, Materialvorschub, Temperaturen GCODE an Drucker übertragen 26, AutoCAD, OrCAD,... Direkte Ausführung und Umsetzung in 3D-Druck

26 3D Druck und Design 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 27

27 Arbeitsbereiche Part Boolesche Operationen Part Design 28 Skizzen basiert Hauptbereich

28 Skizzen Neue Skizze erstellen 29

29 Skizzen Grundlage von 3D-Operationen Orientierung 30 In Ebene Auf Oberfläche

30 Skizze / Zeichenwerkzeuge Punkt Einzelnen Punkt setzen Verbindet Linien 31

31 Skizze / Zeichenwerkzeuge Teilkreis Mittelpunkt + Endpunkte Kreispunkt + Endpunkte 32

32 Skizze / Zeichenwerkzeuge Vollkreis Mittelpunkt + Radius 3 Kreispunkte 33

33 Skizze / Zeichenwerkzeuge Linie Einzelne Linie Zwei Endpunkte 34

34 Skizze / Zeichenwerkzeuge Multilinie Linienzug ohne Absetzen Segmentzahl + 1 Endpunkte 35

35 Skizze / Zeichenwerkzeuge Rechteck Vier orthogonale Linien 36

36 Skizze / Zeichenwerkzeuge Längsloch Zwei horizontale Linien Zwei Halbkreise 37

37 Skizze / Zeichenwerkzeuge Kante abrunden Zwei benachbarte Linien anwählen Wandelt Ecke in Teilkreis Übergänge als Tangenten 38

38 Skizze / Zeichenwerkzeuge Linie trimmen Schneidet Line an kreuzender Linie Getrimmte Linie endet auf kreuzender Linie 39

39 Skizze / Zeichenwerkzeuge Linie trimmen Schneidet Line an kreuzender Linie Getrimmte Linie endet auf kreuzender Linie 40

40 Skizze / Zeichenwerkzeuge Konstruktionsmodus umschalten Hilfslinien wichtiges Konstruktionsmittel Hilfslinien definieren Geometrie 1. Linien anwählen 41

41 Skizze / Zeichenwerkzeuge Konstruktionsmodus umschalten Hilfslinien wichtiges Konstruktionsmittel Hilfslinien definieren Geometrie 1. Linien anwählen 2. Konstruktionsmodus umschalten 42

42 Skizze / Beschränkungen Jeder eindimensionale Objektparameter ein Freiheitsgrad Punkt hat zwei Koordinaten => zwei Freiheitsgrade Line hat zwei Punkte => vier Freiheitsgrade Kreis hat einen Punkt + Radius => Drei Freiheitsgrade Beschränkungen reduzieren Freiheitsgrade Ziel: Vollständig beschränkte Szene 43

43 Skizze / Beschränkungen Koinzidenz Vereint >= 2 Punkte 1. Punkte auswählen 2. Koinzidenzbeschränkung 44

44 Skizze / Beschränkungen Koinzidenz Vereint >= 2 Punkte 1. Punkte auswählen 2. Koinzidenzbeschränkung 45

45 Skizze / Beschränkungen Punkt auf Objekt Legt Punkt auf Linie 1. Punkte auswählen 2. Linie auswählen 3. Punkt auf Objekt 46

46 Skizze / Beschränkungen Punkt auf Objekt Legt Punkt auf Linie 1. Punkte auswählen 2. Linie auswählen 3. Punkt auf Objekt 47

47 Skizze / Beschränkungen Vertikale Linie Linie senkrecht stellen 1. Linie auswählen 2. Vertikale Linie 48

48 Skizze / Beschränkungen Vertikale Linie Linie senkrecht stellen 1. Linie auswählen 2. Vertikale Linie 49

49 Skizze / Beschränkungen Horizontale Linie Linie waagerecht stellen 1. Linie auswählen 2. Horizontale Linie 50

50 Skizze / Beschränkungen Horizontale Linie Linie waagerecht stellen 1. Linie auswählen 2. Horizontale Linie 51

51 Skizze / Beschränkungen Parallele Linien >=2 Linien parallel 1. Linien auswählen 2. Parallele Linien 52

52 Skizze / Beschränkungen Parallele Linien >=2 Linien parallel 1. Linien auswählen 2. Parallele Linien 53

53 Skizze / Beschränkungen Senkrechte Linien 2 Linien senkrecht zueinander 1. Linien auswählen 2. Senkrechte Linien 54

54 Skizze / Beschränkungen Senkrechte Linien 2 Linien senkrecht zueinander 1. Linien auswählen 2. Senkrechte Linien 55

55 Skizze / Beschränkungen Tangente Linie als Kreistangent 1. Linie auswählen 2. Kreis auswählen 3. Tangente 56

56 Skizze / Beschränkungen Tangente Linie als Kreistangent 1. Linie auswählen 2. Kreis auswählen 3. Tangente 57

57 Skizze / Beschränkungen Tangente Linie als Kreistangent 1. Linie auswählen 2. Kreis auswählen 3. Tangente Kombination mit Punkt auf Objekt Liefert Tangente auf Kreis 58

58 Skizze / Beschränkungen Gleichheit Gleiche Länge/ Gleicher Radius Mehrerer Objekte 1. Gleichartige Objekte auswählen 2. Gleichheit 59

59 Skizze / Beschränkungen Gleichheit Gleiche Länge/ Gleicher Radius Mehrerer Objekte 1. Gleichartige Objekte auswählen 2. Gleichheit 60

60 Skizze / Beschränkungen Symmetrie Punkt mittig auf Linie 1. Punkt auf Line auswählen 2. Linie auswählen 3. Symmetrie 61

61 Skizze / Beschränkungen Symmetrie Punkt mittig auf Linie 1. Punkt auf Line auswählen 2. Linie auswählen 3. Symmetrie 62

62 Skizze / Beschränkungen Sperrung Punkt in beiden Koordinaten fixieren 1. Punkt auswählen 2. Sperrung 63

63 Skizze / Beschränkungen Sperrung Punkt in beiden Koordinaten fixieren 1. Punkt auswählen 2. Sperrung 64

64 Skizze / Beschränkungen Horizontaler Abstand X-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Horizontaler Abstand 65

65 Skizze / Beschränkungen Horizontaler Abstand X-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Horizontaler Abstand 66

66 Skizze / Beschränkungen Vertikaler Abstand Y-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Vertikaler Abstand 67

67 Skizze / Beschränkungen Vertikaler Abstand Y-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Vertikaler Abstand 68

68 Skizze / Beschränkungen Länge Länge von Linien 1. Line auswählen 2. Länge 69

69 Skizze / Beschränkungen Länge Länge von Linien 1. Line auswählen 2. Länge 70

70 Skizze / Beschränkungen Radius Radius von Kreisen/ Teilkreisen 1. Kreis auswählen 2. Radius 71

71 Skizze / Beschränkungen Radius Radius von Kreisen/ Teilkreisen 1. Kreis auswählen 2. Radius 72

72 Skizze / Beschränkungen Winkel Winkel zwischen Linien 1. Linien auswählen 2. Winkel 73

73 Skizze / Beschränkungen Winkel Winkel zwischen Linien 1. Linien auswählen 2. Winkel 74

74 Skizze / Beschränkungen Beispiel 75 Linien Teilkreise Kreise Hilfslinien Horizontal Vertikal Symmetrie Punkt auf Linie Winkel Radius Längen Abmessungen

75 Skizze / Organisation Baumdiagramm 76 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2)

76 Skizze / Aufgaben Aufgabe erstellt 3D-Objekt 1. Skizze wählen 2. Aufgabe wählen Block Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt 77 Tasche Drehen Nuten

77 Skizze / Organisation Baumdiagramm 78 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2) Tip: Objektnamen von Skizzennamen ableiten.

78 Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 79 Tasche Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt Drehen Nuten

79 Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 80 Tasche Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt Drehen Nuten

80 Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 81 Tasche Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt Drehen Nuten

81 Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 82 Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten

82 Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 83 Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten

83 Skizze / Organisation Baumdiagramm 84 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2) Tipp: Namen zeigen Objektaufbau

84 Rotation Analog Drehbank 1. Skizze erstellen Querschnitt zeichnen 2. Aufgabe wählen Block Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten 85

85 Rotation Analog Drehbank 1. Skizze erstellen Querschnitt zeichnen 2. Aufgabe wählen Block Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten 86

86 Skizze / Organisation Baumdiagramm 87 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2) Getrennte Objekte Getrennte Namen

87 Rotation Analog Drehbank 1. Skizze erstellen Querschnitt zeichnen 2. Aufgabe wählen Block Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten 88

88 3D Druck und Design Slicing 3D-Objekt Maschinenbefehle Erkennung Modellabmessungen Objektplatzierung auf Druckplatte GCODE von Druckart abhängig 89 FDM: Objekt aus Draht DLP: Objekt aus Pixelebenen Bekannte Software TUI: Skainforge, Slic3r GUI: Repetierhost, ReplicatorG, Slic3r

89 3D Druck und Design Slicing STL-Datei geladen 90

90 3D Druck und Design Slicing STL in GCODE gesliced 91

91 3D Druck und Design Innere Struktur Herkömmliche Verfahren erzeugen massive Objekte Schwer Hoher Rohstoffverbrauch Innere Hohlräume/ Strukturen aufwendig 3D Druck 92 Einstellbarer Infill Infill automatisch per Software berechnet Innere Strukturen mitgedruckt Kombinierter Prozess kann Objekte einbetten

92 3D Druck und Design Innere Struktur 10% Infill läßt Objekte innen praktisch hohl 93

93 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 Produktionsstätten Diskussion um Copyright auf 3D Modelle 94

94 3D Druck und Design Fragen? Vielen Dank! 95

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