Herstellung filigraner Modellen und Strukturen mittels Rapid Prototyping
Konstruktive/Experimentelle Semesterarbeit betreut durch Mathias Markert und Tim Lüth.
Problemstellung
Das Rapid Prototyping (RP) nimmt besonders im Prototypenbau und bei Kleinserien eine immer größere Rolle gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren wie der CNC-Bearbeitung ein. Dabei werden dreidimensionale CAD-Modelle (im STL-Format) durch ein additives Verfahren Stück für Stück vollautomatisch innerhalb kurzer Zeit hergestellt. Die dadurch mögliche Formenvielfalt ist nahezu unbegrenzt. Der Lehrstuhl für Mikro- und Medizingerätetechnik betreibt einen 3D-Drucker, mit denen sich auch farbige Modelle herstellen lassen. Das System wird unter anderem eingesetzt, um patientenindividuelle Organmodelle zu fertigen, die anhand von CT-Daten erstellt werden.
Derartige RP-Modelle enthalten sehr oft Strukturen, die sehr filigran sind (z.B. Blutgefäße) und im RP-Modell sehr leicht zerbrechen. Das kommt besonders während des Herstellungsprozesses vor. Dies ist abhängig von der Länge der Struktur, der Form, dem Durchmesser und der Größe und dem Gewicht der umliegenden Strukturen. Aus diesem Grund soll untersucht werden, ob das RP-Modell während des Herstellungsprozesses durch Stützstrukturen unterstützt werden kann, die danach wieder entfernt werden können.
Zusätzlich sollen Grenzwerte für die Modelleigenschaften festgelegt werden, die während der Erstellung des 3D-Modells berücksichtigt werden müssen. Diese Grenzwerte sollen durch optimierte Gestaltungsmöglichkeiten (z.B. Wabenstrukturen) so gering wie möglich zu halten. Das Ziel der Arbeit insgesamt ist, neue semi-automatische Verfahren zu entwickeln, die das Herstellen von filigranen Organmodellen ermöglichen.
Aufgabenstellung
In der Semesterarbeit sollen Strukturen von RP-Modellen gedruckt, untersucht und optimiert werden. Als erste Aufgabe werden regelmäßige Strukturen auf ihre Zerbrechlichkeit während und nach dem Herstellungsprozess untersucht. Anhand dieser Experimente werden Grenzewerte für den Durchmesser in Abhängigkeit der Länge und Form definiert. Diese Grenzwerte werden im weiteren Verlauf sowohl für Stützstrukturen als auch für die Modelle verwendet. Als zweiter Schritt werden Stützstrukturen ausgelegt, die die Zerbrechlichkeit während des Herstellungsprozesses vermindern sollen. Als dritte Aufgabe sollen diese Stützstrukturen mithilfe einer Programmbibliothek (z.B. Matlab) automatisch an die Modelle angepasst werden.
Anwendung
Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen als Grundlage zur Herstellung von 3D-Organmodellen und weiteren 3D-Modellen mittels 3D-Druck. Die Grenzwerte dienen zur Beurteilung der Herstellung der 3D-Modelle, während durch die Stützstrukturen die Herstellung von 3D-Modellen vereinfacht werden kann.
Erwartung
Für die Bearbeitung der Aufgabe, wird folgendes erwartet:
- Strukturiertes Vorgehen anhand Problembeschreibung und Vergleich von Lösungsansätzen
- Experimente dokumentiert werden
- Beschreibung der Lösungsstruktur und Abgrenzung gegenüber anderen Lösungen (Stand der Technik)
Wird ein Ziel nicht erreicht, dann soll dieser Umstand ausreichend begründet werden. Das Erreichen bzw. Nichterreichen des Ziels soll untersucht und dokumentiert werden, sodass fundierte Aussagen über die Eignung oder über eine notwendige Änderungen gemacht werden können.
Vorgehen
Für die Semesterarbeit sollen die zu untersuchenden Strukturen gefertigt, untersucht werden und eine schriftliche Arbeit angefertigt werden:
- Recherche des Stands der Technik zum Thema Rapid Prototyping/3D-Druck von filigranen Modellen und Strukturen
- Experimente zum Brechen verschieden großer Strukturen aus 3D-Druck
- Erstellung von Stützstrukturen für ein Modell mit Matlab
- Anfertigung einer schriftlichen Arbeit
Ergebnisse
- Grenzwerte für Größe von filigranen Strukturen
- System zur Erzeugung von Stützstrukturen
- Semesterarbeit