Rapid Manufacturing in der Kleinserienproduktion

Die enormen Fortschritte der Rechentechnik in den vergangenen 60 Jahren ermöglichten vielfältige Berechnungen, Simulationen und nicht zu letzt 3D-Konstruktionen sowie deren einheitliches Beschreiben mittels 3D-Flächendaten. Ebenso wurde es möglich real existierende Gegenstände zu vermessen und als 3D-Geometrie datentechnisch zu hinterlegen.

Möglichkeiten des Rapid Manufacturing im Sondermaschinenbau

Durch eine praxisnahe Beratung von Konstrukteuren und Einkäufern auch in kleineren Firmen, konnten gewinnbringende Einsatzmöglichkeiten im Sondermaschinenbau realisiert werden. Die Rapid Manufacturing Anwendungen die sehr erfolgreich im Luftführungsbereich eingesetzt sind, weisen deutliche Vorteile für den Kunden auf.

Die generative Herstellung von Dentalmodellen- eine Rapid Manufacturing Herausforderung

Heutzutage stehen zunehmend – z.B. durch den raschen Fortschritt bei den bildgebenden Verfahren – digitale Datensätze im Dentalbereich zur Verfügung. CAD/CAM-syteme gehören dabei in der Zahntechnik längst zum Stande der Technik. Für die Anwendung derartiger Systeme ist jedoch ein Gipsmodell nötig, welches zum Beginn der Prozesskette vom Zahntechniker mittels eines optischen Scanners digitalisiert wird. Die Weiterentwicklung intraoraler Scanner ermöglicht heutzutage außerdem die Digitalisierung ganzer Kiefer im Patientenmund durch den Zahnarzt. Insbesondere für z.B. die ästhetischen Restaurationen bildet hier das zahntechnische Modell nach wie vor die unersetzliche Arbeitsgrundlage für den Techniker. In der vorliegenden Arbeit wird dazu ein Rapid Manufacturing Verfahren zur Herstellung von Dentalmodellen auf Basis der Stereolithographie vorgestellt. Dabei wird auf die besonderen Anforderungen hinsichtlich Präzision, Robustheit und Wirtschaftlichkeit von generativen Fertigungsverfahren für dentale Applikationen eingegangen und eine neu entwickelte Baustrategie vorgestellt, mittels derer die o.g. Anforderungen erfüllt werden

Trends and Expertise Exchange within Rapid Manufacturing in Europe

Rapid Manufacturing (RM) umfasst den Begriff der direkten und wirtschaftlichen Bauteilherstellung des Serienprodukts aus 3D-Daten. Die Hauptvorteile sind u.a. das Wegfallen von Werkzeugen und eine Designfreiheit in der Produktentwicklung, die noch vor wenigen Jahren undenkbar war. Wenngleich heute eine Vielzahl von Werkstoffen im Kunststoff- und Metallbereich einsetzbar sind, konzentriert sich die Verbreitung des RM allerdings auf besondere Technologie- und Wirtschaftszweige, aufgrund mangelnder Erfahrungswerte, teilweise abweichender Werkstoffeigenschaften, fehlender Standards und ungeeigneter Testmethoden. In der Praxis sind Ingenieure und Techniker stark darauf bedacht, auf etablierte Abläufe und Standards zurückzugreifen. Es ist daher schwer einen geeigneten RM-Prozess aufzubauen, wo wichtige Eingangsgrößen meist unbekannt sind. In diesem Bericht wird beschrieben, welche Informationskanäle es innerhalb Europas zum Thema RM gibt und welche Hochschulen und Forschungszentren Aktivitäten aufweisen. Darüber hinaus werden Anwendungsfelder des RM aufgeführt, die über die bekannten Anwendungsfelder hinaus gehen. Dazu gehören Anwendungen im Bereich der Elektrotechnik, Raumfahrtinstrumentation und der Mode. Obwohl nicht alle Anwendungen des RM in diesem Bericht aufgeführt werden, sind einige Schlüsselinformationen im Bereich innovativer Anwendungen von RM enthalten.

Strahlschmelzen - LaserCUSING® - Integration im Werkzeug- und Formenbau

Die generativen Fertigungsverfahren haben längst ihren Platz in der Wertschöpfungskette neben konventionellen Prozessen eingenommen. Trotzdem müssen die Anwender immer wieder aufs Neue für die recht abstrakten Möglichkeiten und Chancen der Verfahren sensibilisiert werden. Querdenken kann oft schneller und effizienter zur erfolgreichen Problemlösung beitragen als traditionelle Schlüsselwege. Deshalb soll der Beitrag einige Kernpunkte ansprechen, die die additiven Verfahren in den Unternahmen – speziell das LaserCUSING® - als überaus sinnvolle Ergänzung des Technologieparks erachten. Neben der Herstellung von metallischen Prototypen geht der Vortrag insbesondere auf die Vielfalt der Effekte integrierbarer Kanäle in Formeinsätzen besonders des Spritzgusswerkzeugbaus ein.

Lithographiebasierte Fertigung keramischer Bauteile

Im Rahmen des EU-Projektes PHOCAM entwickelt das beteiligte Konsortium Anlagen und Materialien für die generative Fertigung keramischer Bauteile auf Basis der Photopolymerisation. Das Kernelement der verwendeten Fertigungsanlagen, der DLP Projektor, erzeugt mittels leistungsstarker LEDs und einem 1080p DMD (Digital Micromirror Device) Bilder mit 1920x1080 Bildpunkten und der Pixelgröße von 40µm, woraus sich die Baufeldgröße von 76,8x43,2mm ergibt. Ein hochviskoser Schlicker, bestehen aus einem gefülltem fotosensitiven Harzsystem, wird von unten durch die gläserne Materialwanne belichtet, wodurch der Schlicker lokal aushärtet (polymerisiert). Auf diese Weise entsteht der Grünling, der in schichtbauweise (Standardschichtdicke von 25-50µm) aufgebaut ist. Im nachfolgenden Sinterprozess werden die Grünlinge zu den fertigen Keramikteilen gebrannt. Als keramisches Basismaterial für den Schlicker wurde vorwiegend Aluminiumoxid in Pulverform verwendet. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad (Keramikanteil) bis zu 50Vol% erfolgreich verarbeitet und zu Keramikteilen mit einer theoretischen Dichte von 99,6% gesintert werden.

Produktentwicklung von Druckgussteilen

Die Produktentwicklung von Druckgussteilen kann flexibel, wirtschaftlich und schnell durch die Herstellung von RP-Unikaten und Metallabgüssen aus Keramikschalen realisiert werden. Dieser Weg eignet sich vor allem für komplexe Bauteile und macht eine Produkterprobung mit qualitativ deutlich verbesserter Aussagekraft trotz reduzierter Entwicklungskosten möglich. In Abgrenzung zum Sandguss, muss die Konstruktion der Bauteile nicht verändert werden. 
Durch eine gezielte Wärmebehandlung wird die Vergleichbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Prototypen zu späteren Serienteilen möglich. Technisch sinnvolle Änderungen sind leicht und flexibel realisierbar, da werkzeuglos gefertigt wird. Für unerreichbare Hohlräume und Hinterschnitte kann in diesem Verfahren mit Keramikkernen als Einleger gearbeitet werden. Auch diese Kerne können werkzeuglos hergestellt werden. Ein Verzicht auf technisch Sinnvolles aus Kostengründen ist damit hinfällig.
In der Konstruktion ergeben sich neue Freiheitsgrade, so dass Ziele im Leichtbau, die Einsparung von Verbindungstechnik oder die erhöhte Materialeffizienz realisierbar werden. Die so entwickelten Bauteile sind insgesamt qualitativ hochwertiger und bilden die technischen Anforderungen bestmöglich ab. Damit kann die für die Erprobung benötigte Zahl der Prototypen verringert werden. 
Je komplexer die Geometrie der Bauteile, je stärker kommen die beschriebenen Effekte zum Tragen. Diese Aussage gilt für die Produktentwicklung und für Kleinserien, die herkömmlich zu teuer und zu schwer im Druckguss oder Schmiedeverfahren produziert werden

Advantages and pitfalls in computer assisted orthopedic surgery planning using rapid-prototyped guides

Durch die von Rapid Prototyping gebotenen Möglichkeiten können computergestützte 3D Operationsplanungen präzise in der Operation umgesetzt werden. An der Universitätsklinik Balgrist wurden in den letzten 3 Jahren nahezu 100 Patienten erfolgreich behandelt, deren Operation in 3D geplant und mit patienten-spezifischen Schablonen umgesetzt wurde. Wir beschreiben die Genauigkeit dieser Methode und berichten über die hierbei gesammelten Erfahrungen. Aufgrund der Flexibilität der Rapid Prototyping Technologie, gibt es nicht immer nur einen Weg wie eine 3D geplante Operation umgesetzt werden kann. Wir zeigen daher anhand von Fallbeispielen unterschiedliche Strategien auf und beschreiben deren Vor- und Nachteile. Ausserdem präsentieren wir die Weiterentwicklung der Methode zur Anwendung an kleinerer Anatomie wie Knochen des Handgelenkes oder der Finger.

Rapid manufacturing of aluminum components

A manufacturing technique for the production of aluminum components is described. A resin-bonded part is formed by a rapid prototyping technique and then debound and infiltrated by a second aluminum alloy under a nitrogen atmosphere. During thermal processing, the aluminum reacts with the nitrogen and is partially transformed into a rigid aluminum nitride skeleton, which provides the structural rigidity during infiltration. The simplicity and rapidity of this process in comparison to conventional production routes, combined with the ability to fabricate complicated parts of almost any geometry and with high dimensional precision, provide an additional means to manufacture aluminum components.

Processing of polycaprolactone and polycaprolactone-based copolymers into 3D scaffolds and their cellular responses

Synthetic polymers have attracted much attention in tissue engineering due to their ability to modulate biomechanical properties. This study investigated the feasibility of processing poly(varepsilon-caprolactone) (PCL) homopolymer, PCL-poly(ethylene glycol) (PEG) diblock, and PCL-PEG-PCL triblock copolymers into three-dimensional porous scaffolds. Properties of the various polymers were investigated by dynamic thermal analysis. The scaffolds were manufactured using the desktop robot-based rapid prototyping technique. Gross morphology and internal three-dimensional structure of scaffolds were identified by scanning electron microscopy and micro-computed tomography, which showed excellent fusion at the filament junctions, high uniformity, and complete interconnectivity of pore networks. The influences of process parameters on scaffolds' morphological and mechanical characteristics were studied. Data confirmed that the process parameters directly influenced the pore size, porosity, and, consequently, the mechanical properties of the scaffolds. The in vitro cell culture study was performed to investigate the influence of polymer nature and scaffold architecture on the adhesion of the cells onto the scaffolds using rabbit smooth muscle cells. Light, scanning electron, and confocal laser microscopy showed cell adhesion, proliferation, and extracellular matrix formation on the surface as well as inside the structure of both scaffold groups. The completely interconnected and highly regular honeycomb-like pore morphology supported bridging of the pores via cell-to-cell contact as well as production of extracellular matrix at later time points. The results indicated that the incorporation of hydrophilic PEG into hydrophobic PCL enhanced the overall hydrophilicity and cell culture performance of PCL-PEG copolymer. However, the scaffold architecture did not significantly influence the cell culture performance in this study.

The power of a single prototype : sustainable fashion textile design and the prevention of carcinogenic melanoma

Is there a role for prototyping (sketching, pattern making and sampling) in addressing real world problems of sustainability (People, Profit, and Planet), in this case social/healthcare issues, through fashion and textiles research? Skin cancer and related illnesses are a major cause of disfigurement and death in New Zealand and Australia where the rates of Melanoma, a serious form of skin cancer, are four times higher than in the Northern Hemisphere regions of USA, UK and Canada (IARC, 1992). In 2007, AUT University (Auckland University of Technology) Fashion Department and the Health Promotion Department of Cancer Society - Auckland Division (CSA) developed a prototype hat aimed at exploring a barrier type solution to prevent facial and neck skin damage. This is a paradigm shift from the usual medical research model. This paper provides an overview of the project and examines how a fashion prototype has been used to communicate emergent social, environmental, personal, physiological and technological concerns to the trans-disciplinary research team. The authors consider how the design of a product can enhance and support sustainable design practice while contributing a potential solution to an ongoing health issue. Analysis of this case study provides an insight into prototyping in fashion and textiles design, user engagement and the importance of requirements analysis in relation to sustainable development. The analysis and a successful outcome of the final prototype have provided a gateway to future collaborative research and product development.

The Sun gives without ever receiving

A small scale sculpture that contributes towards my ongoing explorations into how our collective ability to sustain (the future) is as much a cultural problematic as it is an economic or technological one. The curatorial brief of the project was a technical one - in that each curated artist was to design a piece in CAD suitable for 3D resin printing - The object should be entirely generated through 3D visualisation and modelling tools and should be machined and shipped within the dimensions of 6cm x 6cm x 6cm. My design for this brief was influenced by recent research I had conducted in Mildura in the Sunraysia irrigated region of NW Victoria. Each name set within the work is an Australian soldier/settler – who, on returning from the ‘Great War’ was duly awarded a ‘block’ in Australia’s new inland irrigated settlements - with the explicit task of clearing it to plant and reap. Through their concerted and well-intentioned efforts, these workers began to profoundly re-shape Australia’s marginal country - inadvertently presaging the bleak future faced today by many of Australia’s inland lands and river systems. Furthermore, through that time's predominant colonial conception of ‘terra nullius’ (this land is unoccupied and therefore free to be claimed) they each played a small but formative part in building the profound cultural divide between land and peoples that still haunts Australia today. THE EXHIBITION: Inside Out is a compelling international touring exhibition featuring forty-six miniature sculptures produced in resin using 3D printing technologies. Developments in virtual computer visualisation and integrated digital technologies are giving contemporary makers new insight and opportunities to create objects and forms which were previously impossible to produce or difficult to envisage. The exhibition is the result of collaboration between the Art Technology Coalition, the University of Technology Sydney and RMIT University in Australia along with De Montfort University, Manchester Metropolitan University and Dartington College of Arts at University College Falmouth in the United Kingdom.

Application of micro CT and computation modeling in bone tissue engineering

Computer aided technologies, medical imaging, and rapid prototyping has created new possibilities in biomedical engineering. The systematic variation of scaffold architecture as well as the mineralization inside a scaffold/bone construct can be studied using computer imaging technology and CAD/CAM and micro computed tomography (CT). In this paper, the potential of combining these technologies has been exploited in the study of scaffolds and osteochondral repair. Porosity, surface area per unit volume and the degree of interconnectivity were evaluated through imaging and computer aided manipulation of the scaffold scan data. For the osteochondral model, the spatial distribution and the degree of bone regeneration were evaluated. In this study the versatility of two softwares Mimics (Materialize), CTan and 3D realistic visualization (Skyscan) were assessed, too.

Direct writing of chitosan scaffolds using a robotic system

Purpose – This paper aims to present a novel rapid prototyping (RP) fabrication methods and preliminary characterization for chitosan scaffolds. Design – A desktop rapid prototyping robot dispensing (RPBOD) system has been developed to fabricate scaffolds for tissue engineering (TE) applications. The system is a computer-controlled four-axis machine with a multiple-dispenser head. Neutralization of the acetic acid by the sodium hydroxide results in a precipitate to form a gel-like chitosan strand. The scaffold properties were characterized by scanning electron microscopy, porosity calculation and compression test. An example of fabrication of a freeform hydrogel scaffold is demonstrated. The required geometric data for the freeform scaffold were obtained from CT-scan images and the dispensing path control data were converted form its volume model. The applications of the scaffolds are discussed based on its potential for TE. Findings – It is shown that the RPBOD system can be interfaced with imaging techniques and computational modeling to produce scaffolds which can be customized in overall size and shape allowing tissue-engineered grafts to be tailored to specific applications or even for individual patients. Research limitations/implications – Important challenges for further research are the incorporation of growth factors, as well as cell seeding into the 3D dispensing plotting materials. Improvements regarding the mechanical properties of the scaffolds are also necessary. Originality/value – One of the important aspects of TE is the design scaffolds. For customized TE, it is essential to be able to fabricate 3D scaffolds of various geometric shapes, in order to repair tissue defects. RP or solid free-form fabrication techniques hold great promise for designing 3D customized scaffolds; yet traditional cell-seeding techniques may not provide enough cell mass for larger constructs. This paper presents a novel attempt to fabricate 3D scaffolds, using hydrogels which in the future can be combined with cells.