Digitale Fabrikation Institut für Architektur und Medien| TU-Graz - Rapid Prototyping Clarissa Bressau |Thomas Diewald WS 2009

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Rapid Prototyping

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Clarissa Bressau Thomas Diewald

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Vorwort

In dieser Arbeit wird ein kurzer Überblick über Techniken, Beispiele, Geräte und Entwicklungen des Rapid-Protoyping gegeben. Kurz deswegen, weil die Menge an Informationen zu diesem Thema ständig mehr werden, und deshalb nur ein aktueller und sehr flüchtiger Ist-Zustande beschrieben werden kann. Um möglichst auf dem neuesten Stand zu sein, sind deshalb die Verweise zu den Internetseiten von Herstellern und Entwicklern zu empfehlen.

10.11.2009 Inhalt Vorwort ................................................................................................................................................................. 2

1) Begriffserklärung, Defintion ............................................................................................................................ 3

2) Aktueller Stand der Technik, Verfahren ....................................................................................................... 5

Stereolithografie (STL oder SLA) ................................................................................................................................................................ 5

Selektives Lasersintern (SLS) ....................................................................................................................................................................... 6

Solid Ground Curing (SGC) ....................................................................................................................................................................... 7

Polyamidguss ............................................................................................................................................................................................... 7

Lasergenerieren .......................................................................................................................................................................................... 8

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) ......................................................................................................................................................... 9

Fused Deposition Modeling ....................................................................................................................................................................... 9

LaminatedObjectModelling(LOM) ........................................................................................................................................................ 10

3D Printing (3DP, TDP) ............................................................................................................................................................................... 11

Contour Crafting (CC) ............................................................................................................................................................................. 12

Electron beam melting (EBM) ................................................................................................................................................................. 12

Multi Jet Modeling .................................................................................................................................................................................... 13

PolyJet-Verfahren ..................................................................................................................................................................................... 13

SPACE PUZZLE MOLDING (SPM) .............................................................................................................................................................. 14

3) Weitere Entwicklungen und Forschungsprojekte .................................................................................... 15

3.1) Fab@Home ......................................................................................................................................................................................... 15

3.2) RepRap ............................................................................................................................................................................................... 18

4) Zukunftsmusik ................................................................................................................................................. 22

4.1) Personal PC - Personal Fabricator (PC - PF) .................................................................................................................................. 22

4.2) Programmierbare Materie - Dynamic Physical Rendering ........................................................................................................ 24

5) weitere Verweise .......................................................................................................................................... 27

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1) Begriffserklärung, Definition

Rapid Prototyping (deutsch schneller Prototypenbau) ist ein Verfahren zur schnellen Herstellung von Musterbauteilen ausgehend von Konstruktionsdaten. Rapid-Prototyping-Verfahren sind somit Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene CAD-Daten möglichst ohne manuelle Umwege oder Formen direkt und schnell in Werkstücke umzusetzen. Die für diese Verfahrensgruppe relevante Datenschnittstelle ist das STL-Format. Die unter dem Begriff des Rapid Prototyping seit den 1980er Jahren bekannt gewordenen Verfahren sind in der Regel Urformverfahren, die das Werkstück schichtweise aus formlosem oder formneutralem Material unter Nutzung physikalischer und/oder chemischer Effekte aufbauen. Die Anwendungsgebiete des Rapid -Prototyping haben sich am Anfang auf das Herstellen von Modellen und Prototypen konzentriert und sich auf weitere Felder ausgedehnt. U.a. als Werkzeug: Rapid Tooling und der Einsatz als Fertigteil: Rapid Manufacturing. Wegen der Breite der aktuellen Applikationen ist es derzeit angebracht, vom Einsatz generativer Fertigungsverfahren zu sprechen. In Verbindung mit weiteren modernen Technologien wie zum Beispiel dem Reverse Engineering (Digitalisieren), dem CAD, der virtuellen Realität sowie modernen Werkzeugbauverfahren wird die Verfahrenskette innerhalb der Produktentwicklung auch als Rapid Product Development bezeichnet. Daneben findet man auch Begriffe wie generative Fertigungsverfahren, Solid Freeform Fabrication, Desktop Manufacturing, Layer Manufacturing Technology, Advanced Digital Manufacturing (ADM), auch E-Manufacturing usw. Durch dieses mittlerweile stark angewachsene Einsatzspektrum von generativ gefertigten Bauteilen werden auch immer neue Anforderungen an generativ gefertigte Bauteile gestellt, die durch Folgetechnologien bei generativen Verfahren, wie die Oberflächentechnik, gelöst werden können. So ist es durch abtragende Verfahren wie das Sandstrahlen oder das Gleitschleifen möglich, die durch den Bauprozess bedingten Stufen einzuebnen. Auch ist es möglich, die generativ gefertigten Werkstücke zu lackieren oder zu metallisieren.

http://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php/Bild:Klassifizierung.JPG

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Rapid Tooling: Der Begriff Schneller Werkzeugbau bzw. englisch Rapid Tooling wird in der Fertigungstechnik verwendet. Charakteristische Eigenschaften des Rapid Tooling (RT) sind u. a.: Einsatz der mittels generativer Fertigungsverfahren gefertigten Teile als Werkzeuge oder als Werkzeugbestandteile (Verbindung mit konventionell gefertigten Elementen) Das Rapid Tooling gestattet durch die verwendeten Technologien völlig neue Werkzeugkonstruktionen (z. B. Gestaltung von Kühlkanälen). Die mittels DMLS (Direct Metal Laser Sintering - Direktes Metall-Laserintern) oder MELATO (Metal Laminated Tooling) gefertigten Werkzeuge weisen mittlerweile nahezu die Standfestigkeit von konventionellen Werkzeugen auf, sind jedoch aufgrund der Verantwortlichkeiten bei Produktentwicklungen hauptsächlich bei der Herstellung von Vor- und Kleinserien eine interessante Alternative. Einsatzzeitraum: Überprüfungen der Funktionalität anhand seriennaher bzw. seriengleicher Bauteile kurzfristige und teilweiser kostengünstiger Fertigung von Kleinserien Einsatzziele: Überprüfung der aktuellen Konstruktion auch auf Funktion (Serienfertigungsverfahren, Serienwerkstoff) Verringerung der Konstruktionsfehler Unterstützung weiterer Entscheidungen zum Erzeugnis Kurzfristige Herstellung kleiner und mittlerer Stückzahlen Einsatzort: hauptsächlich Dienstleister, Servicebereiche, Werkzeugbauer Rapid Manufacturing: Der Begriff Schnelle Fertigung (englisch: „Rapid Manufacturing“) bezeichnet Methoden und Produktionsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung von Bauteilen und Serien mittels werkzeugloser Fertigung direkt aus den CAD-Daten. Verwendete Materialien sind Glas, Metall, Keramik, Kunststoffe und neue Materialien (wie UV härtendes Sol-Gel, siehe z. B. Multi Jet Modeling) Rapid Manufacturing ist im Bereich der parallelen Herstellung von Mikrobauteilen und Systemen bereits seit 1996 bei microTEC im Einsatz und wird für größere Bauteile, u.a. von Boeing, ebenfalls seit mehreren Jahren eingesetzt. Durch die Möglichkeit, noch vor der Fertigung über eine Simulation das Produkt bereits im virtuellen Stadium (3D-Daten) zu analysieren und zu optimieren, sowie durch die breite Materialauswahl und den Abfall vermeidenden effektiven Materialeinsatz entstehen für die Unternehmen vielfältige Möglichkeiten, Produkte nicht nur sehr schnell entsprechend der individuellen Kundenanforderungen auszulegen und zu entwickeln, sondern auch mit Hilfe der generativen Fertigungsverfahren kostengünstig zu produzieren. Neue Felder sind im Bereich der Biotechnik, der Dentalmedizin und der Hörgerätetechnik entstanden. Da beim Rapid Manufacturing immer die direkte Herstellung des Endprodukts im Mittelpunkt steht, unterscheidet es sich grundlegend von Rapid Prototyping und Rapid Tooling.

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2) Aktueller Stand der Technik, Verfahren

Stereolithografie (STL oder SLA) In der Stereolithographie, ein Verfahren des Rapid Prototyping bzw. dem Rapid Manufacturing, wird ein lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer) von einem Laser Schicht um Schicht ausgehärtet. Die Standfestigkeit des Werkstücks auf der Bauplattform wird vom Stereolithographie-Dienstleister i.d.R. durch eine Stützkonstruktion erreicht. Die Stereolithographie ermöglicht eine präzise Fertigung mit sehr feinen Strukturen und glatten Oberflächen. Durch die Verwendung von flüssigen Epoxidharzen können glatte und dichte Oberflächenstrukturen kostengünstig erzielt werden. Die Nacharbeitungen des Werkstücks, wie Schleifen oder Spachteln sind überflüssig (einstufige Fertigung).

Neue Basismaterialien erlauben mittlerweile eine größere Flexibilität des Werkstücks und heben somit den Nachteil der Sprödheit auf. Geringer Materialverbrauch ermöglicht kostengünstige Herstellung. Das Werkstück / Produkt kann ohne Nachbearbeitung als Urmodell verwendet werden. Durch Nachbearbeitung lässt sich eine Temperaturbeständig von bis zu ca. 260°C erzielen, wodurch das Werkstück im Produktiveinsatz getestet werden kann: z.B. im Motorenraum. Einfärben und polieren des Werkstücks ist möglich. Schnelle Umsetzung eines Anschauungsobjekts zur frühzeitigen Erkennung von Architektur-Modell, ist möglich. http://www.hoerdler.de/stereolithographie/stereolithographie.htm VIDEO: http://www.youtube.com/watch?v=DiKukCYNHRI

Teil eines Druckers für die Elektronikbranche

Schellen für die Elektroindustrie Kugellagerkäfig für die Automobilindustrie 1

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Selektives Lasersintern (SLS) Selektives Lasersintern ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Es ist ein generatives Schichtbauverfahren welches das Werkstück Schicht für Schicht aufbaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden. Wegen des hohen maschinellen Aufwands und insbesondere der vom generierten Volumen abhängenden Prozesszeiten (die im Bereich von Stunden, bei großen Teilen mit hohen Genauigkeitsanforderungen auch von Tagen liegen können) werden die Verfahren besonders zum Fertigen von Prototypen und kleinen Stückzahlen komplizierter Teile verwendet. Der Trend geht allerdings dahin, die Technologie auch als Rapid-Manufacturing-bzw. Rapid Tooling – Verfahren zur schnellen Erzeugung von Werkzeugen und von Funktionsbauteilen zu nutzen. Als Beispiel sind hier Zahnkäppchen zu nennen, die mittlerweile in großer Stückzahl preiswert hergestellt werden. Grundvoraussetzung ist, dass die Geometriedaten des Produktes dreidimensional vorliegen und als Schichtdaten verarbeitet sind. Bei der Herstellung von Gießformen muss zuerst aus den Geometriedaten ein Gussmodell hergestellt werden, das u. a. das Schwinden des abkühlenden Metalls und andere gießereitechnische Anforderungen berücksichtigt.

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Selective_laser_melting_system_schematic.jpg&filetimestamp=20080511182414

Printgeräte: CO²-Laser, ein Nd:YAG-Laser, Faserlaser Werkstoffe: Polyamid 12, oder ein anderer Kunststoff, ein kunststoffbeschichteter Formsand, ein Metall- oder ein Keramikpulver Es werden verschiedene Verfahrensvarianten unterschieden. Bei der klassischen Variante werden die Pulverkörner nur partiell aufgeschmolzen, es findet quasi ein Flüssigphasensinterprozess statt.

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Solid Ground Curing (SGC) Das Solid GroundCuring-Verfahren arbeitet mit einem flüssigen, lichthärtendem Harz. Die Aushärtung erfolgt jedoch durch eine Flächenbelichtung. Ein rechnergesteuerter Maskengenerator erzeugt für jede neue Schicht ein Negativ des jeweiligen Bauteilquerschnitts auf einer mit Toner beschichteten Glasplatte. Diese sogenannte Maske wird über der Harzschicht positioniert und wenige Sekunden mit UV-Licht belichtet. Dabei dringen das UV-Licht in den durchsichtigen Maskenbereichen durch und härtet den Harz aus. Im nächsten Schritt wird das flüssig gebliebene Harz abgesaugt und durch Wachse ersetzt. Ein anschließendes Überfräsen sorgt für eine genaue Schichtdicke. Diese Oberfläche dient wiederum als Grundfläche für die nächste Schicht. Nach der Fertigstellung des gesamten Prototyps wird das noch übriggebliebene stützende Wachs ausgelöst. Mit diesem Verfahren können nicht nur Hinterschnitte sondern auch ineinander verschachtelte und zueinander bewegliche Bauteile gefertigt werden.

VIDEOS: http://www.youtube.com/watch?v=tEuHRdSSawk Polyamidguss Polyamidguss ist ein Verfahren, bei welchem innerhalb kürzester Zeit hochwertige Bauteile aus thermoplastischen Materialien entstehen. Als Basis dient ein generativ gefertigtes Urmodell, welches in Silikon abgeformt wird Die Polymerisation erfolgt drucklos innerhalb weniger Minuten direkt im Werkzeug. Die mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile können als Funktionsprototypen oder Kleinserien zu einem Bruchteil der Kosten von spritzgegossenen Bauteilen eingesetzt werden. Gegenüber dem Vakuumgießen zeichnen sich die im PA-Gießverfahren gefertigten Kleinserien durch ein thermoplastisches Material mit seriennahen Werkstoffeigenschaften aus. Gegenüber dem Lasersinterverfahren zeichnen sich die im PA-Gießverfahren gefertigten Kleinserien durch eine gute Oberfläche, eine 100%ige Dichte sowie durch homogene und konstante Materialeigenschaften aus. VIDEOS: http://www.vidoemo.com/yvideo.php?i=MjRfazVacWuRpLXBSUVU&polyamid-tensile-test

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Lasergenerieren Das Laserstrahl-Generieren ist ein generatives Fertigungsverfahren auf Pulverbasis. Beim Generieren wird der pulverförmige Werkstoff kontinuierlich mittels Zufuhrdüsen in den fokussierten Laserstrahl eingebracht. Der Aufbau von Bauteilen erfolgt schichtweise. Das Pulver wird mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen und schmelzmetallurgisch mit der unteren Schicht verbunden. Beim Laserstrahl-Generieren können nahezu alle metallischen Legierungen verwendet werden. Als Handhabungssysteme werden kartesische Anlagen mit 3 - 5 Achsen oder Roboter verwendet. Die erreichbare Bauteilkomplexität sowie die Maßgenauigkeit sind beim Laserstrahl-Generieren signifikant geringer als beim SLM-Verfahren, die Aufbaurate ist jedoch deutlich höher. Weitere Vorteile sind u.a. dass große Teile sind bearbeitbar sind, der Aufbau kompletter Teile, sowie der Aufbau auf einer vorgefertigten Geometrie ist möglich. Lasergenerieren eignet sich hervorragend für Serienanwendungen im Kunststoffspritzguss, Druckguss und Kokillenguss. Durch konturnahe Temperierkanäle lassen sich die Zykluszeiten, Bauteilqualität und besonders die Prozessregelfähigkeit verbessern. http://de.wikipedia.org/wiki/Lasergenerieren

Beim Lasergenerating werden Bauteile aus pulverförmigen metallischen Serienwerkstoffen (z. B. Stahl 1.2709 oder 1.4542) schichtweise aufgebaut. Grundlage der Lasersteuerung sind 3D/CAD Daten. Auf einem Grundkörper werden hierzu dünne Schichten des Pulvermaterials aufgetragen und anschließend zur gewünschten Kontur mit dem Laser verschmolzen. Diese Verfahrensschritte werden revolvierend fortgesetzt bis das Werkstück in der Endgeometrie fertiggestellt ist. Überschüssiges Pulvermaterial wird rückgewonnen und kann vollständig für weitere Produktionen eingesetzt werden. Je nach Werkstück dauert der Prozess wenige Stunden bis Tage. Die gewünschte Härte wird durch eine nachfolgende Wärmebehandlung erreicht. http://www.bkl-lasertechnik.de/lasergenerating_cv.html http://www.tu-ilmenau.de/fakmb/DFG-Schwerpunktprogr.4204.0.html

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Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Das Verfahrensprinzip beim direkten Metall-Lasersintern ähnelt zwar dem des Lasersintern von Kunststoffen, unterscheidet sich jedoch im Detail. Der Werkstoff und die Anwendung für den Werkzeugbau verlangen eine wesentliche höhere Detailauflösung und selbstverständlich wesentlich höhere Laserleistung. Durch dieses Verfahren können mechanisch und thermisch belastbare metallische Bauteile erstellt werden. Es wird ein feines pulverförmiges Metall durch einen CO2 Laser lokal aufgeschmolzen. Nach dem Abkühlen verfestigt sich das Metall wieder. Die jeweilige Kontur der Prototypen wird durch Ablenken des Laserstrahls mittels einer Spiegelablenkeinheit erzeugt. Auch hier erfolgt ein schichtweiser Aufbau durch Absenken des Bauraumes.

http://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php/Rapid_Prototyping#Direct_Metal_Laser_Sintering_.28DMLS.29 Fused Deposition Modeling Fused Deposition Modeling (deutsch: Schmelzschichtung) bezeichnet ein Fertigungsverfahren mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigem Kunststoff aufgebaut wird. Dieses Verfahren basiert auf der Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoff- oder Wachsmaterials durch Erwärmung. Beim anschließenden Abkühlen erstarrt das Material wiederum. Der Materialauftrag erfolgt durch Extrudieren mit einer in der Fertigungsebene frei verfahrbaren Heizdüse. Bei der schichtweisen Modellherstellung verbinden sich damit die einzelnen Schichten zu einem komplexen Teil. Auskragende Bauteile können mit diesem Verfahren unter Umständen nur mit Stützkonstruktionen aus Pappe, Polystyrol oder ähnlichem erzeugt werden.

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http://de.wikipedia.org/wiki/Fused_Deposition_Modeling

Laminated Object Modelling (LOM)

http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1650 Laminated Object Modelling ist ein Fertigungsverfahren mit dem ein Werkstück schichtweise aus Papier aufgebaut wird. Das Prinzip besteht darin die Form aus Papierschichten (versuchsweise auch mit Folien aus Keramik, Kunststoff oder Aluminium) aufzubauen. Jede neue Schicht wird auf die vorhandene Schicht laminiert und dann die Kontur mittels Messer, Heißdraht oder Laser geschnitten. Danach wird die nächste Schicht aufgebracht usw. Anwendungen sind Anschauungsmodelle, Gussmodelle u.ä.

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3D Printing (3DP, TDP) Digital Fabricator Ein Digital Fabricator (kurz Fabber, auch 3D-Drucker) ist allgemein ein Gerät, das materielle, 3-dimensionale Gegenstände aus auf Computern gespeicherten CAD-Daten erzeugt. Subtraktive Fabber: Der Gegenstand wird aus einem massiven Block durch Abtragen von Material mittels Fräsen, Drehen, elektrischer Verfahren wie Funkenerodieren o.ä. erzeugt. Diese älteste Gruppe von Fabbern zählt zu den CNC-Maschinen. Additive Fabber: Der Gegenstand wird durch sukzessives Hinzufügen oder Ablagern von Material erzeugt. Formende Fabber: Das Material wird durch Anwendung äußerer Kräfte zum Gegenstand geformt, es wird weder Material entfernt noch hinzugefügt. Hybride Fabber: Kombination mehrerer vorangehender Verfahren. 3D-Drucker: Ein schnell aushärtender Kunststoff wird additiv Schicht für Schicht (Schichtstärke ca. 1 – 2 mm) gespritzt. Der Ausdruck ist innerhalb weniger Stunden verfügbar. Moderne 3D-Drucker können sogar farbige Modelle in 24 bit Farbtiefe erstellen. Personal Fabricator bzw. Personal Fabber: Kann als massentauglicher 3D-Drucker analog zum Personal Computer neben dem Schreibtisch stehen.

http://www.georgehart.com/rp/reindeer.jpg http://de.wikipedia.org/wiki/Digital_Fabricator VIDEO: Videobeitrag zu 3D-Druckern von Computertrend.tv

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Contour Crafting (CC) Contour Crafting ist ein computergestütztes Bauverfahren zur Errichtung von Gebäuden. Prinzip: Das Haus wird am Computer entworfen und die Daten anschließend an den "Drucker" weitergeleitet. Der "Drucker" ist ein vollautomatischer Portalroboter, der größer als das Gebäude ist; über Betonbehälter wird der schnell härtende Spezialbeton und normaler Beton zugeführt. Zuerst gießt der Portalroboter Schicht für Schicht einen Rahmen mithilfe des schnell härtenden Spezialbetons. Seine computergesteuerte Spritzdüse legt dünne Spuren des Betons auf den Untergrund, die von zwei seitlich angebrachten Kellen in ihre endgültige Form gebracht werden. Anschließend wird der Rahmen mit normalem Beton gefüllt. Weiterhin können fertige Stahlgerüste oder ähnliches mit eingebracht werden. Somit entsteht ein Gebäude exakt nach Computerzeichnung.

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Contour_Crafting“ Electron beam melting (EBM) Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM) oder auch Elektronenstrahlsintern ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen. Durch einen Elektronenstahl als Energiequelle wird ein Metallpulver gezielt aufgeschmolzen, wodurch kompakte Bauteile nahezu beliebiger Geometrie direkt aus den Konstruktionsdaten hergestellt werden können. VIDEO: http://www.arcam.com/flash/downloads.asp

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Multi Jet Modeling Der Begriff Multi-Jet Modeling (MJM) bezeichnet ein Verfahren des Rapid Prototyping, bei dem ein Modell durch einen Druckkopf mit mehreren linear angeordneten Düsen, der ähnlich wie der Druckkopf eines Tintenstahldruckers funktioniert, schichtweise aufgebaut wird. Aufgrund der geringen Größe der mit diesen Systemen erzeugten Tröpfchen können auch feine Details dargestellt werden. Um Überhänge fertigen zu können sind Stützkonstruktionen nötig. Diese werden - je nach Hersteller - massiv aus einem niedriger schmelzenden Wachs oder in Form nadelartiger Stützen aus dem Modellwerkstoff aufgebaut. Als Ausgangsmaterial verwendete man zuerst Hartwachse oder spezielle wachsähnliche Thermoplaste. Die Weiterentwicklung der Anlagentechnik führte zu Zweikopfsystemen. Hierbei ist der Einsatz eines Modellwerkstoffes und eines speziellen Stützwachses möglich. Die während der Fertigung erforderliche Stützgeometrie (auch als Support bezeichnet) kann auf Grund der Verwendung von schmelzfähigen Materialien mit geringem Aufwand durch Erwärmen entfernt werden.

Als Modellwerkstoff finden häufig UV-empfindliche Photopolymere Anwendung. Diese Rohmaterialien in Form von Monomeren werden unmittelbar nach dem "Aufdrucken" auf die bereits vorhanden Schichten mittels UV-Lichtpolymerisiert und dabei vom flüssigen Ausgangszustand in den festen Endzustand überführt. Der chemische Prozess, sowie die wesentlichen Eigenschaften der generierten Objekte entsprechen weitgehend der den mittels SL gefertigten Teilen. Die Maschinen sind kompakt und können in einer Büroumgebung betrieben werden.

http://de.wikipedia.org/wiki/Multi_Jet_Modeling http://www.wb-3d.com/products/rapid-prototyping

PolyJet-Verfahren

VIDEOS: http://v.youku.com/v_show/id_XNDgzNjYwMDQ=.html

Rapid Prototyping Video of Objet'sPolyJetProcess: http://www.youtube.com/watch?v=oMQWGBgNCtg

Objet'sPolyJet Rapid PrototypingActualFootage: http://www.youtube.com/watch?v=m5scCMxuciY

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SPACE PUZZLE MOLDING (SPM) Space Puzzle Molding (SPM) ist ausgelegt für die Herstellung von Prototypen, Null- und Kleinserien für Spritzgussteile aus Kunststoff. Es ist eine unkonventionelle Weise der Werkzeugkonstruktion für den Kunststoffspritzguss. Durch den minimalistischen Werkzeugaufbau werden die Kosten für eine Form erheblich gesenkt und ermöglichen somit die Produktion von kleinsten Serien mit enorm hoher Komplexität der Formteile. Die Werkzeuge werden möglichst klein gehalten. Auf teure Kühlsysteme und –peripherien, komplizierte Schiebertechnik, sowie Automatisierungen wie wird weitgehend verzichtet. Sie sind nicht viel größer als das Formteil selbst. Beim SPM besteht die Aluminiumform aus vielen kleineren Einzelteilen, die wie ein Puzzle zusammengesetzt werden. Diese Einzelteile sind kostengünstig und flexibel zu fertigen. Die Entformung geschieht manuell, indem das Werkzeug per Hand zerlegt und das Formteil entnommen wird. Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Space_Puzzle_Molding“

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3) Weitere Entwicklungen und Forschungsprojekte

3.1) Fab@Home Homepage: http://fabathome.org Printbeipiele: http://fabathome.org/wiki/index.php?title=Fab%40Home:Gallery Software: http://fabathome.org/wiki/index.php?title=Fab%40Home:Software FAQ: http://fabathome.org/wiki/index.php?title=Fab%40Home:Support Fab@Home ist ein Open-Source 3dPrinter. Software sowie technisches Know-how werden in einem Wiki bereitgestellt. Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, den Zugang zu schnellen und universellen Herstellungsverfahren jedem zugänglich und erschwinglich zu machen, also eine Art Demokratisierung auf dem Gebiet des Rapid-Prototyping einzuleiten.

Bild: http://fabathome.org/wiki/index.php?title=Main_Page

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Auf der Homepage werden Beispiele zum Selbstbau sowie die benötigte Software bereitgestellt. Der Unterschied zu herkömmlichen 3d-Printern besteht zusätzlich darin, dass verschiedenste Materialien in einem Printvorgang verwendet werden können. So wurden bereits in einem einzigen Print eine Batterie hergestellt, bzw. eine funktionsfähige Taschenlampe. Funktionsprinzip des Fab@home: Durch eine Art Spritze/Düse werden die zuvor erweichten Materialien durchgedrückt und Schichten- bzw. Reihenförmig aufgetragen. Abhängig vom Durchmesser des Düsenkopfes sind beim Druckergebnis Höhenschichten bzw. Rillen erkennbar. Bisher verwendete Materialien:

Gummi, Silikon (auch mit Silbermischung), Lötzinn (silver bearing solder paste), Aluminium, Fiel's metal, or Field's alloy (http://en.wikipedia.org/wiki/Field%27s_metal)

Epoxid-Harze, Lehm, Knetmasse (PlayDoh),

Gips, etc. Käse, Schokolade, Erdnussbutter, Karamell Preis für den Eigenbau: circa 2400 $. Preis für ein fertiges Gerät: http://www.nextfabstore.com/servlet/StoreFront Ausmaße: 47,0/40,6/45,7 cm (Breite/Tiefe/Höhe).

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Bilder: http://fabathome.org/wiki/index.php?title=Fab%40Home:Gallery

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3.2) RepRap Homepage: http://reprap.org Videos: http://reprap.org/bin/view/Main/RepRapVids Printbeispiele: http://reprap.org/bin/view/Main/ItemsMade

Bild: http://www.aiplayground.org/artikel/reprap/

RepRap ist ein Akronym für „Replication Rapid-Prototyper“. Ähnlich wie der Fab@Home stellt er eine Alternative zu teuren, kommerziellen Systemen dar. Das Projekt ist zwar nicht Open-Source, jedoch ist die Software als Freeware auf der Homepage zu bekommen. Die Hardware kann wie auch beim Fab@Home als fertiges Gerät bestellt werden, es gibt aber auch eine Anleitung für den Eigenbau. Hat man einmal ein funktionstüchtiges Gerät, kann der RepRap sich selbst reproduzieren indem er die meisten Einzelteile (bis auf Elektronikchips) selbst herstellt. Es wird aber daran gearbeitet auch Chips herzustellen. Anders als beim Fab@Home ist man bei der Materialwahl nicht so flexibel. Der RepRap printet derzeit hauptsächlich mit Kunststoff. Dabei wird ein dünner kunststofffaden geschmolzen und in Höhenschichten aufgetragen. Das Modell liegt auf einer Hebebühne, die sich pro Schicht um die Dicke der Schicht absenkt. Die Festigkeit des Materials wird verglichen mit der von Legobausteinen.

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“[RepRap] has been called the invention that will bring down global capitalism, start a second industrial revolution and save the environment..."

- The front page of The Guardian, November 25, 2006. Verwendete Materialien:

Kunststoff Preis : circa 500 €. Preis für ein fertiges Gerät und Einzelteile: http://parts.reprap.org/ Ausmaße: 50,0/40,0/36,0 cm (Breite/Tiefe/Höhe).

Bild - Einzelteile für einen neuen RepRap: http://reprap.org/bin/view/Main/ItemsMade

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Bild - Parent and Child: http://reprap.org/bin/view/Main/WebHome

Bild: RepRap 2.0 "Mendel" - http://objects.reprap.org/wiki/RepRap_Version_II_%22Mendel%22

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Bild: RepRap 1.0 "Darwin" - http://reprap.org/bin/view/Main/RepRapOneDarwin

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4) Zukunftsmusik

Science-Fiction Filme zeigen wie die Technik unseren Alltag in Zukunft verändern könnte. Nicht alles scheint tatsächlich realisierbar zu sein, doch immer neuere Entwicklungen, und vor allem deren Geschwindigkeit überraschen immer wieder. Der “Replikator” auf der Enterprise (zweite Star-Trek Staffel) war so eine Wunschvorstellung, alles Denkbare auf Knopfdruck erzeugen zu lassen. Jetzt, 20 Jahre später, sind wir dieser Vision schon ein Stück näher gekommen, auch wenn die Technik eine andere ist.

4.1) Personal PC - Personal Fabricator (PC - PF) "Es gibt keinen Grund, warum irgendjemand einen Computer in seinem Haus bräuchte."

- Ken Olsen, 1977 Dass diese Prognose sich als falsch herausgestellt hat ist mittlerweile klar. Es hat nicht nur fast jeder Haushalt einen PC, sondern fast jeder Bewohner in einem Haushalt. Die Datenverarbeitung am Computer ist praktisch dadurch jedem möglich. Eine massentaugliche Möglichkeit für die Herstellung von individuellen Produkten war bislang jedoch nicht möglich. Designen und entwerfen konnte theoretisch jeder selbst zu Hause mittels Computer, die Daten aber in ein physisches Objekt zu transferieren war nur über teure Umwege möglich. Man musste Firmen beauftragen um aus dem Entwurf ein Produkt zu erzeugen. Das war teuer, je nach Anbieter und meist nur in großer Stückzahl sinnvoll. Dies könnte sich aber durch sogenannte universellen Produktionsmaschine oder „Santa-Claus-Maschinen“ ändern. Durch die rasante Entwicklung und Forschung auf dem Gebiet, ist es mittlerweile möglich verschiedene Materialien in einem Produktionsprozess zu verwenden, wodurch der Fab@Home beispielsweise imstande war eine Batterie zu printen. Dass das noch nicht die Grenze des Möglichen ist lässt sich erahnen. Der Einzug in die Privathaushalte wird allerdings erst dann beginnen, wenn die Geräte um erschwingliche Preise erworben werden können. Die Preisspanne bei PC’s könnte hier als vergleich dienen. Da zur Zeit der Fab@Home um die 2000 Euro und der RepRap um die 500 Euro kosten, scheint dieses Ziel auch nicht mehr in all zu weiter Ferne zu liegen. In Zukunft wird also möglicherweise Jeder neben seinem PC einen PF (Personal Fabricator) stehen haben. Objekte des alltäglichen Gebrauchs müssen nicht mehr, je nach Angebot und Preis, in Geschäften eingekauft werden, sondern können einfach ausgedruckt werden. Man kann einerseits auf ein bereits bestehendes Sortiment an Produkten zurückgreifen, in dem man sich die benötigte Datei herunterlädt, oder indem man sich sein Wunschprodukt selbst entwirft. Es wird entsprechende Benutzerfreundliche Entwurfssoftware geben, mit Vorlagen, die verändert werden können, oder Suchmaschienen/Kataloge die zu verschiedenen Produkten die passenden Datensätze liefern. Der

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Preis für das Endergebnis, hängt nur noch von der Art und Qualität der verwendeten Printmaterialien ab, bzw. von dem Preis des Datensatzes, sofern man nicht selbst den Entwurf macht. Im Endeffekt tritt somit eine Art Demokratisierung in der Herstellung und Verteilung von Produkten ein. Das Phänomen von global zeitverzögerten Auftreten von Modeerscheinungen wird es nicht mehr geben, da das Internet eine Gleichzeitigkeit herstellt und somit jeder Trend überall auf der Welt sofort erkannt wird und die Daten zu den Produkten nur heruntergeladen werden brauchen. Es tauchen aber auch Fragen auf: Wenn jeder selbst zu Hause produzieren kann und sich sogar der PF selbst reproduziert, was passiert mit den Firmen die früher dementsprechende Konsumgüter herstellten. All diese Firmen würden wohl vom Markt verschwinden und deren Arbeitsplätze ebenso. Ebenso wichtig wird die Wahl der Printmaterialien sein. Sind sie wiederverwertbar? woher kommen die Rohstoffe? wer verteilt die Rohstoffe? lesenswerte Artikel zu diesem Thema: 3D-Drucker für das Volk http://www.heise.de/tr/artikel/3D-Drucker-fuer-das-Volk-279077.html Eine für Alles http://www.zeit.de/2006/38/C-Personal-Fabricator?page=all Rückkehr des Realen http://www.zeit.de/2002/45/200245_personal_fabrica.xml Fab: The Coming Revolution on Your Desktop

--from Personal Computers to Personal Fabrication Buchautor: Neil A. Gershenfeld

Replication Revolutionary

http://docs.huihoo.com/reprap/Revolutionary.pdf Homepages: Online 3d-Parts Database http://www.shapeways.com/themes/3dparts Personal Fabricator: http://www.rap-man.com http://reprap.org http://fabathome.org

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4.2) Programmierbare Materie - Dynamic Physical Rendering Eine Entwicklung die dem Replikator schon sehr nahe kommt und eines Tages dessen Möglichkeiten übertreffen wird, ist die der programmierbaren Materie. Materieteilchen, die in Summe eine Art Superknete bilden, sollen sich zu beliebigen Gebilden formen können ist das erklärte Ziel der Forscher. Anfänglich wurde noch mit tennisballgroßen Robotern, die sich über dynamisch erzeugte Magnetfelder gegenseitig beeinflussen und somit in Position bringen, gearbeitet. Mittlerweile sind die Einzelnen Elemente aber nur noch Millimetergroß. Die Schwierigkeit ist die Koordination der an einem solchen Schwarm beteiligten Einzelroboter, deren Zahl ja nach Größe des Objekts bis in die Milliarden gehen kann. Videos zu Bewegungsabläufen und Computeranimation findet man auf der Homepage von der Forschungsgruppe Claytronics. Diese Gruppe ist auch der Namensgeber für die „Catom“ genannten Miniroboter/Nanobots (Clayronic + Atom). Claytronics Roboter Systeme: http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/hardware/index.html - Helium Catoms

erste Versuche mit großen Helium-Ballons - „Stochastic Catoms„ - „Electrostatic Latches“ - Cubes - planare zylinderförmige catoms

(können sich nur in der ebenen aneinander vorbeibewegen)

Bilder: http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/hardware/planar.html

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- milimetergroße Catoms

Bilder: http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/hardware/milliscale.html Zusätzlich zu der Formänderung durch Bewegung, sollen die kleinen Catoms in Zukunft auch Farbe und Funktion ändern können, um auch unterschiedliche Oberflächen zu imitieren, oder aber auch um die Funktion eines Auges zu simulieren. So müssten manchen Catoms mit Spezialfunktionen wie diverser Sensoren ausgestattet sein. So Könnte sich beispielsweise ein Mobiltelefon, in einen Schuh und danach in eine Kamera verwandeln. Das Problem der Volumenänderung wurde scheinbar mit der Lösung des Problems der Verformbarkeit beseitigt. So ordnen sich die Catoms jeweils um lauter kleine Hohlräume, welche durch Wanderung die äußere Form bestimmen - das Objekt wird quasi aufgeschäumt, und könnte somit auch das Volumen ändern. Diese Technologie lässt Einiges an neuen Möglichkeiten zu. So Könnte man in Zukunft, die am Computer erzeugte 3d-Modelle oder Entwürfe, statt sie selbst aufwendig zu bauen, oder per Rapid-Protoyping auszudrucken, einfach schnell mit der programmierbaren Knetmasse präsentieren. Ähnlich wie bei einem Hologramm, nur materiell und mit viel mehr Einsatzmöglichkeiten. Die Knetmasse wäre eine Art Begleiter durch den Tag hindurch, von der Tasse für den Kaffee, zur Zahnbürste, zum Schlüssel, zum Mobiltelefon, etc. Sogar eine Art „Beamen“ wäre möglich. Es muss nur ein ausreichender Datensatz des zu beamenden Objektes vorliegen, mit dem die Knetmasse gespeist wird. Es würde sogar so weit reichen, dass ein Mensch an mehreren Orten gleichzeitig durch einen solchen Catoms-Haufen live vertreten ist. Abhängig von der Größe der einzelnen Catoms, also der Auflösung des gesamten Objektes, wäre der Unterschied zum Original wohl nicht mehr zu erkennen. Zusätzlich wird die Kopie durch die Sensoren auf den Catoms mehr Sinne haben als der Mensch, der ja standardmäßig nur fünf Sinne besitzt.

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Bilder: http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-63947532.html Weitere Informationen: Dynamic Physical Rendering http://de.wikipedia.org/wiki/Dynamic_Physical_Rendering IDF: Programmierbare Materie und Strom ohne Kabel http://www.golem.de/0808/61899-4.html Programmierbare Materie – Zukunftsmusik oder schon bald Wirklichkeit? http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id786.htm Magie des schlauen Sandes http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-63947532.html http://wissen.spiegel.de/wissen/image/show.html?did=63947532&aref=image039/2009/01/31/ROSP200900601260128.PDF&thumb=false Claytronics http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/index.html Woran Intels Forscher derzeit werkeln… http://www.pcwelt.de/start/computer/pc/news/177109/woran_intels_forscher_derzeit_werkeln/

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5) weitere Verweise

Bild Deckblatt: Karsten Schmidt - Magazine cover design http://postspectacular.com/process/20080702_printmagcoverPrint diverse Blogs http://www.fabbaloo.com http://gadgets.boingboing.net/ http://3dprintingreviews.blogspot.com/ http://www.iaacblog.com/digitalfabrication/ Wikis http://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php/Rapid_Prototyping http://de.wikipedia.org/wiki/Rapid_Prototyping http://en.wikipedia.org/wiki/Rapid_prototyping Firmen, Hersteller, Printservices http://www.thinglab.co.uk http://www.rapidprototyping.de/ http://www.robotmech.com/ http://www.1zu1prototypen.com/ http://www.zcorp.com/ http://www.gach.biz/ http://www.dimensionprinting.de/