3D Druck und Design 3D-Druck und Design 1
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
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
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
3D Druck und Design Einsatzgebiete Prototypenentwurf Kunst und Design Architektur Modellbau Maschinenbau Massenfertigung Flug- und Raumfahrtindustrie 5 Medizin und Zahntechnik Verpackungsindustrie Bioprinting
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
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
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 20 100 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
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)
3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Laserschmelzen Laserschmelzen Herauslösen aus Pulver 10
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
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
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
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
3D Druck und Design 3D Druckverfahren Selektives Lasersintern Mikrobauteil mit innenliegendem Kanal aus Wolfram CAD-Modell Bauteil 15
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
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
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
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
3D Druck und Design 20 3D Druckverfahren Polyjet-Modeling
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
3D Druck und Design 3D Druckverfahren Fused Deposition Modeling FDM-Drucker Protos V2 von German Rep Rap Video 2: Ultimaker 22
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
3D Druck und Design 3D Design 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
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 http://freecadweb.org/ 27
Arbeitsbereiche Part Boolesche Operationen Part Design 28 Skizzen basiert Hauptbereich
Skizzen Neue Skizze erstellen 29
Skizzen Grundlage von 3D-Operationen Orientierung 30 In Ebene Auf Oberfläche
Skizze / Zeichenwerkzeuge Punkt Einzelnen Punkt setzen Verbindet Linien 31
Skizze / Zeichenwerkzeuge Teilkreis Mittelpunkt + Endpunkte Kreispunkt + Endpunkte 32
Skizze / Zeichenwerkzeuge Vollkreis Mittelpunkt + Radius 3 Kreispunkte 33
Skizze / Zeichenwerkzeuge Linie Einzelne Linie Zwei Endpunkte 34
Skizze / Zeichenwerkzeuge Multilinie Linienzug ohne Absetzen Segmentzahl + 1 Endpunkte 35
Skizze / Zeichenwerkzeuge Rechteck Vier orthogonale Linien 36
Skizze / Zeichenwerkzeuge Längsloch Zwei horizontale Linien Zwei Halbkreise 37
Skizze / Zeichenwerkzeuge Kante abrunden Zwei benachbarte Linien anwählen Wandelt Ecke in Teilkreis Übergänge als Tangenten 38
Skizze / Zeichenwerkzeuge Linie trimmen Schneidet Line an kreuzender Linie Getrimmte Linie endet auf kreuzender Linie 39
Skizze / Zeichenwerkzeuge Linie trimmen Schneidet Line an kreuzender Linie Getrimmte Linie endet auf kreuzender Linie 40
Skizze / Zeichenwerkzeuge Konstruktionsmodus umschalten Hilfslinien wichtiges Konstruktionsmittel Hilfslinien definieren Geometrie 1. Linien anwählen 41
Skizze / Zeichenwerkzeuge Konstruktionsmodus umschalten Hilfslinien wichtiges Konstruktionsmittel Hilfslinien definieren Geometrie 1. Linien anwählen 2. Konstruktionsmodus umschalten 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
Skizze / Beschränkungen Koinzidenz Vereint >= 2 Punkte 1. Punkte auswählen 2. Koinzidenzbeschränkung 44
Skizze / Beschränkungen Koinzidenz Vereint >= 2 Punkte 1. Punkte auswählen 2. Koinzidenzbeschränkung 45
Skizze / Beschränkungen Punkt auf Objekt Legt Punkt auf Linie 1. Punkte auswählen 2. Linie auswählen 3. Punkt auf Objekt 46
Skizze / Beschränkungen Punkt auf Objekt Legt Punkt auf Linie 1. Punkte auswählen 2. Linie auswählen 3. Punkt auf Objekt 47
Skizze / Beschränkungen Vertikale Linie Linie senkrecht stellen 1. Linie auswählen 2. Vertikale Linie 48
Skizze / Beschränkungen Vertikale Linie Linie senkrecht stellen 1. Linie auswählen 2. Vertikale Linie 49
Skizze / Beschränkungen Horizontale Linie Linie waagerecht stellen 1. Linie auswählen 2. Horizontale Linie 50
Skizze / Beschränkungen Horizontale Linie Linie waagerecht stellen 1. Linie auswählen 2. Horizontale Linie 51
Skizze / Beschränkungen Parallele Linien >=2 Linien parallel 1. Linien auswählen 2. Parallele Linien 52
Skizze / Beschränkungen Parallele Linien >=2 Linien parallel 1. Linien auswählen 2. Parallele Linien 53
Skizze / Beschränkungen Senkrechte Linien 2 Linien senkrecht zueinander 1. Linien auswählen 2. Senkrechte Linien 54
Skizze / Beschränkungen Senkrechte Linien 2 Linien senkrecht zueinander 1. Linien auswählen 2. Senkrechte Linien 55
Skizze / Beschränkungen Tangente Linie als Kreistangent 1. Linie auswählen 2. Kreis auswählen 3. Tangente 56
Skizze / Beschränkungen Tangente Linie als Kreistangent 1. Linie auswählen 2. Kreis auswählen 3. Tangente 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
Skizze / Beschränkungen Gleichheit Gleiche Länge/ Gleicher Radius Mehrerer Objekte 1. Gleichartige Objekte auswählen 2. Gleichheit 59
Skizze / Beschränkungen Gleichheit Gleiche Länge/ Gleicher Radius Mehrerer Objekte 1. Gleichartige Objekte auswählen 2. Gleichheit 60
Skizze / Beschränkungen Symmetrie Punkt mittig auf Linie 1. Punkt auf Line auswählen 2. Linie auswählen 3. Symmetrie 61
Skizze / Beschränkungen Symmetrie Punkt mittig auf Linie 1. Punkt auf Line auswählen 2. Linie auswählen 3. Symmetrie 62
Skizze / Beschränkungen Sperrung Punkt in beiden Koordinaten fixieren 1. Punkt auswählen 2. Sperrung 63
Skizze / Beschränkungen Sperrung Punkt in beiden Koordinaten fixieren 1. Punkt auswählen 2. Sperrung 64
Skizze / Beschränkungen Horizontaler Abstand X-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Horizontaler Abstand 65
Skizze / Beschränkungen Horizontaler Abstand X-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Horizontaler Abstand 66
Skizze / Beschränkungen Vertikaler Abstand Y-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Vertikaler Abstand 67
Skizze / Beschränkungen Vertikaler Abstand Y-Abstand zwischen Zwei Punkten 1. 2 Punkte / Line auswählen 2. Vertikaler Abstand 68
Skizze / Beschränkungen Länge Länge von Linien 1. Line auswählen 2. Länge 69
Skizze / Beschränkungen Länge Länge von Linien 1. Line auswählen 2. Länge 70
Skizze / Beschränkungen Radius Radius von Kreisen/ Teilkreisen 1. Kreis auswählen 2. Radius 71
Skizze / Beschränkungen Radius Radius von Kreisen/ Teilkreisen 1. Kreis auswählen 2. Radius 72
Skizze / Beschränkungen Winkel Winkel zwischen Linien 1. Linien auswählen 2. Winkel 73
Skizze / Beschränkungen Winkel Winkel zwischen Linien 1. Linien auswählen 2. Winkel 74
Skizze / Beschränkungen Beispiel 75 Linien Teilkreise Kreise Hilfslinien Horizontal Vertikal Symmetrie Punkt auf Linie Winkel Radius Längen Abmessungen
Skizze / Organisation Baumdiagramm 76 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2)
Skizze / Aufgaben Aufgabe erstellt 3D-Objekt 1. Skizze wählen 2. Aufgabe wählen Block Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt 77 Tasche Drehen Nuten
Skizze / Organisation Baumdiagramm 78 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2) Tip: Objektnamen von Skizzennamen ableiten.
Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 79 Tasche Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt Drehen Nuten
Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 80 Tasche Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt Drehen Nuten
Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 81 Tasche Länge eingeben Symmetrisch Umgekehrt Drehen Nuten
Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 82 Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten
Operation an 3D-Objekt 1. Fläche wählen 2. Skizze erstellen 3. Aufgabe wählen Block 83 Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten
Skizze / Organisation Baumdiagramm 84 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2) Tipp: Namen zeigen Objektaufbau
Rotation Analog Drehbank 1. Skizze erstellen Querschnitt zeichnen 2. Aufgabe wählen Block Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten 85
Rotation Analog Drehbank 1. Skizze erstellen Querschnitt zeichnen 2. Aufgabe wählen Block Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten 86
Skizze / Organisation Baumdiagramm 87 Skizzen und Objekte Sprechende Namen! (Umbenennen mit F2) Getrennte Objekte Getrennte Namen
Rotation Analog Drehbank 1. Skizze erstellen Querschnitt zeichnen 2. Aufgabe wählen Block Tasche Länge eingeben/ Durch alles Drehen Nuten 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
3D Druck und Design Slicing STL-Datei geladen 90
3D Druck und Design Slicing STL in GCODE gesliced 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
3D Druck und Design Innere Struktur 10% Infill läßt Objekte innen praktisch hohl 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
3D Druck und Design Fragen? Vielen Dank! 95