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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 Gegenstände Verwendung eines 3D Druckers Rechnergesteuerter Prozess Beginnt mit 3D Modell

Typische Rohstoffe:Kunststoffe, Kunststoffharze, Keramiken, Metalle

Gegenstände erstellt mittels– Physikalischer Härtung

– Chemischer Härtung

– Schmelzprozess

3 Dipl.-Informatiker Gregor Rebel


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

– 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

– 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

– Fused Deposition Modeling



3D Druck und Design● 3D Druckverfahren → Selektives Laserschmelzen

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




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

– 3D Druck auf anderes Bauteil aufgedruckt




Werkstoffe

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




Laserschmelzen

Herauslösen aus Pulver




Anwendungsgebiete

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



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

– 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



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, körperlich, räumlich- Lithos = Stein- Graphein = Schreiben

Lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer)

Laser härtet dünne Schicht Plattform wird abgesenkt Nachhärtung nötig Stützstrukturen für

Überhänge



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



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


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


3D Druck und Design● 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● 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





FDM-DruckerProtos V2 vonGerman Rep Rap

Video 2: Ultimaker

https://shop.germanreprap.com/de/PRotos-v2-3D-Drucker-Komplettbausatz

http://www.youtube.com/watch?v=P1_FancFWas



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



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

– Enthält einen Druckauftrag

● Slicen in GCODE-Format

– Generischer Maschinencode

– Kopfbewegungen, Materialvorschub, Temperaturen

● GCODE an Drucker übertragen

– Direkte Ausführung 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 Oberfläche


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




Längsloch

Zwei horizontale Linien

Zwei Halbkreise




Kante abrunden

Zwei benachbarte Linienanwählen

Wandelt Ecke in Teilkreis

Übergänge als Tangenten




Linie trimmen

Schneidet Line ankreuzender Linie

Getrimmte Linie endetauf kreuzender Linie




Konstruktionsmodusumschalten

Hilfslinien wichtigesKonstruktionsmittel

Hilfslinien definierenGeometrie

1. Linien anwählen




Konstruktionsmodusumschalten

Hilfslinien wichtigesKonstruktionsmittel

Hilfslinien definierenGeometrie

1. Linien anwählen2. Konstruktionsmodus umschalten


FreeCAD– 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




Koinzidenz

Vereint >= 2 Punkte

1. Punkte auswählen

2. Koinzidenz- beschränkung




Koinzidenz

Vereint >= 2 Punkte


2. Koinzidenz- beschränkung




Punkt auf Objekt

Legt Punkt auf Linie


2. Linie auswählen

3. Punkt auf Objekt




Vertikale Linie

Linie senkrecht stellen

1. Linie auswählen

2. Vertikale Linie




Horizontale Linie

Linie waagerecht stellen

1. Linie auswählen

2. Horizontale Linie




Parallele Linien

>=2 Linien parallel

1. Linien auswählen

2. Parallele Linien




Parallele Linien

>=2 Linien parallel


2. Parallele Linien




Senkrechte Linien

2 Linien senkrechtzueinander


2. Senkrechte Linien




Tangente

Linie als Kreistangent

1. Linie auswählen

2. Kreis auswählen

3. Tangente




Tangente


1. Linie auswählen

2. Kreis auswählen

3. Tangente




Tangente


1. Linie auswählen

2. Kreis auswählen

3. Tangente

Kombination mitPunkt auf ObjektLiefert Tangente aufKreis




Gleichheit

Gleiche Länge/Gleicher RadiusMehrerer Objekte

1. Gleichartige Objekte auswählen

2. Gleichheit




Symmetrie

Punkt mittig auf Linie

1. Punkt auf Line auswählen

2. Linie auswählen

3. Symmetrie




Sperrung

Punkt in beidenKoordinaten fixieren

1. Punkt auswählen

2. Sperrung




HorizontalerAbstand

X-Abstand zwischen Zwei Punkten

1. 2 Punkte / Line auswählen

2. Horizontaler Abstand




HorizontalerAbstand

X-Abstand zwischen Zwei Punkten


2. Horizontaler Abstand




VertikalerAbstand

Y-Abstand zwischen Zwei Punkten


2. Vertikaler Abstand




Länge

Länge von Linien

1. Line auswählen

2. Länge




Radius

Radius von Kreisen/Teilkreisen

1. Kreis auswählen

2. Radius




Winkel

Winkel zwischen Linien


2. Winkel




Beispiel

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


FreeCAD– Skizze / Organisation


Baumdiagramm● Skizzen und Objekte● Sprechende Namen!

(Umbenennen mit F2)


FreeCAD– Skizze / Aufgaben


Aufgabe erstellt 3D-Objekt

1. Skizze wählen

2. Aufgabe wählen– Block

Länge eingebenSymmetrischUmgekehrt

– Tasche

– Drehen

– Nuten





(Umbenennen mit F2)● Tip: Objektnamen

von Skizzennamen ableiten.


FreeCAD– Operation an 3D-Objekt


1. Fläche wählen

2. Skizze erstellen


– TascheLänge eingebenSymmetrischUmgekehrt

– Drehen

– Nuten




1. Fläche wählen

2. Skizze erstellen



– Drehen

– Nuten




1. Fläche wählen

2. Skizze erstellen


– TascheLänge eingeben/Durch alles

– Drehen

– Nuten





(Umbenennen mit F2)● Tipp: Namen zeigen

Objektaufbau


FreeCAD– Rotation


Analog Drehbank

1. Skizze erstellen● Querschnitt zeichnen

2. Aufgabe wählen● Block

● TascheLänge eingeben/Durch alles

● Drehen

● Nuten


FreeCAD– Rotation


Analog Drehbank

1. Skizze erstellen● Querschnitt zeichnen



● Drehen

● Nuten





(Umbenennen mit F2)● Getrennte Objekte

Getrennte Namen


FreeCAD– Rotation


Analog Drehbank

1. Skizze erstellen– Querschnitt zeichnen



● Drehen

● Nuten


3D Druck und Design● Slicing

● 3D-Objekt → Maschinenbefehle

● Erkennung Modellabmessungen

● Objektplatzierung auf Druckplatte

● GCODE von Druckart abhängig

– 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

Herkömmliche Verfahren erzeugen massive Objekte– Schwer

– Hoher Rohstoffverbrauch

– Innere Hohlräume/ 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 läßt 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 Produktionsstätten

Diskussion um Copyright auf 3D Modelle



3D Druck und Design● Fragen?

Vielen Dank!


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