Politechnika Wrocławska

Komentarze

Transkrypt

Politechnika Wrocławska
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Generatywne technologie
wytwórcze
(Additive Manufacturing
Technologies)
Literatura
[1]. Edward Chlebus, Tomasz Boratyński, Bogdan Dybała, Mariusz Frankiewicz,
Przemysław Kolinka, Innowacyjne technologie Rapid Prototyping – Rapid Tooling w
rozwoju produktu, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2003 (BW-10 PWr)
[2]. Bogdan Dybała, „Technologie szybkiego prototypowania i wytwarzania”, w: Rapid
Prototyping & Reverse Engineering. Raport,
http://www.3dcad.pl/raporty2009/rpire, 2009
[3]. Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren. Rapid Prototyping – Rapid
Tooling – Rapid Manufacturing, Hanser Fachbuch 2007
[4]. Ian Gibson, Brent Stucker, David W. Rosen, Additive Manufacturing Technologies:
Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing, Springer 2009
[5]. Edward P. Grenda, Worldwide Guide to Rapid Prototyping,
http://www.additive3d.com
[6]. Rapid Prototyping Electronic Mailing List, http://rapid.lpt.fi/rp-ml
[7]. Rapid Prototyping Journal, ISSN 1355-2546, Emerald Group Publishing (BG PWr)
[8]. Terry Wohlers, Wohlers Report 2009, Wohlers Associates, Inc., 2009 (3.16 B-4)
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Technologie generatywne (przyrostowe)
Charakterystyka technologii generatywnych
• Trzy cechy technologii generatywnych (przyrostowych):
Szybkie prototypowanie
(Rapid Prototyping)
Technologie generatywne
(Additive Manufacturing
Technologies)
Szybkie wytwarzanie narzędzi
(Rapid Tooling)
Szybkie wytwarzanie wyrobów
(Rapid Manufacturing)
1. Budowa modeli fizycznych następuje przyrostowo (addytywnie,
generatywnie), przez dodawanie kolejnych porcji materiału (najczęściej
warstw)
2. Procesy są sterowane komputerowo
k
i wymagają cyfrowych modeli
CAD 3D
3. Otrzymywane obiekty mogą mieć niemal dowolny kształt, a czas (i koszt)
budowy zależy bardziej od objętości zużytego materiału niż od stopnia
skomplikowania geometrii – „Geometria za darmo!”
• Materiały w procesach przyrostowych:
– Postać: proszki, ciecze/pasty lub folie
– Skład: tworzywa sztuczne, metale i ich stopy, papier, ceramika, a nawet
mieszaniny powyższych (np. cermet)
Politechnika Wrocławska
„Warstwowość” w technologiach
generatywnych
• Cechą wytwarzania
generatywnego jest
dodawanie nowego
materiału w małych
porcjach, najczęściej
w warstwach
• Im cieńsza warstwa,
tym lepiej udaje się
odtworzyć detale, ale
tym dłuższy proces
budowy
Materiały do wykładu
Politechnika Wrocławska
Zalety technologii generatywnych
• Krótszy czas i niższy koszt uruchomienia produkcji
– Niepotrzebne są formy i narzędzia produkcyjne
– Model CAD to prawie gotowy model technologiczny
– Pierwszy
Pi
wyrób
ób po kilk
kilku-kilkudziesięciu
kilk d i i
godzinach!
• Dowolność kształtów wyrobów
– Można wytwarzać wyroby dotąd „nietechnologiczne”
– Można stosować w produkcji jednostkowej
• Materiały i struktury funkcjonalnie zmienne
– Model geometryczny może być efektem symulacji
– Materiał można zmieniać w czasie trwania procesu
1
Technologie Rozwoju Produktu
Politechnika Wrocławska
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Wady technologii generatywnych
Projektowanie dla technologii generatywnych
• Do czasu upowszechnienia się tych technologii…
• Z uwagi na ich nowatorstwo, dla technologii
generatywnych zmienia się sposób projektowania.
Znikają ograniczenia metodologii „Design for ...”, np.
– drogie materiały (np. proszek tytanu – 800 €/kg)
– drogie urządzenia (np. SLM – 700 000 €)
• Ograniczenia technologiczne
– Warstwowość na poziomie 0.05 mm uniemożliwia
wytwarzanie wyrobów o większej precyzji i szczegółowości
– Niektóre technologie wymagają „struktur wspierających”
– Chropowatość powierzchni w technologiach proszkowych
często wymaga obróbki wykańczającej
• Brak powszechnie przyjętych standardów
Politechnika Wrocławska
– DFM (Design for Manufacturing) – projektowanie wyrobów
pod kątem technologiczności ich wykonania:
• wąskie spektrum rozwiązań optymalnych
• polega na generacji, wyborze oraz ulepszaniu koncepcji
– DFA (Design for Assembly) – projektowanie wyrobów pod
kątem ich montażu:
• redukcja liczby części
• redukcja liczby operacji montażu oraz złożoności części
• lepsza kontrola zasobów
Politechnika Wrocławska
Tradycyjne procesy projektowania
Technologie generatywne nie wymagają narzędzi!
• Wybrane reguły DFMA dla elementów formowanych z
tworzyw sztucznych:
• „Potrzeba stosowania narzędzi w
konwencjonalnym wytwarzaniu stanowi jeden
z czynników najbardziej ograniczają
ących
y w
dzisiejszych procesach rozwoju produktu”
– Kształty nie mogą być ani prostopadłe ani wklęsłe
(uniemożliwi to wyjęcie detalu z formy) – „Ścianki
Ścianki muszą
być pochylone”
– Mała i jednolita grubość ścianek (ułatwi to przewidywalność
procesów przepływu i stygnięcia materiału)
– „Zaplanuj położenie linii podziału”
– „Unikaj ostrych krawędzi”
– „Minimalizuj efekt linii połączeń oraz
śladów po wypychaczach i wlewkach”
– itp.
Politechnika Wrocławska
„Geometria za darmo”
• Bez wytwarzania narzędzi oraz ograniczeń
“Design for X”, możliwości projektowania są
ograniczone tylko kreatywnością projektanta
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Przykłady swobody projektowania (1)
• W technologiach generatywnych możliwe jest
wykonanie niemal dowolnie skomplikowanej
geometrii bez dodatkow ch kosztów
• Czas przygotowania jest tak krótki, że
projektant może skupić się na swoim głównym
zadaniu – projektowaniu
produktu
• „Otwórz swój umysł”
Źródło: www.materialise.com
Materiały do wykładu
2
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Przykłady swobody projektowania (2)
Obszary szczególnych korzyści:
• Optymalizacja funkcji kosztem złożoności
geometrycznej
• Konsolidacja części – złożone zespoły
wytwarzane jako jeden komponent
• Dopasowanie wyrobu do kształtów
anatomicznych
Źródło: www.materialise.com
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Optymalizacja funkcji kosztem złożoności
Optymalizacja funkcji kosztem złożoności
• Przykład: stadion w Pekinie na Olimpiadę w 2008 roku
• Kształt był wynikiem optymalizacji projektu dzięki
zastosowaniu programowania genetycznego
• Nie jest to przykład zastosowania technologii generatywnych!
• Uniwersytet w Loughborough prowadził badania nad
optymalizacją konstrukcji w celu stworzenia złożonych
struktur wewnętrznych
Wewnętrzne kanały przepływowe,
które są wykonywane przez wiercenie
(konstrukcja zgodna z kryteriami
DFMA)
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Te same kanały przepływowe
zoptymalizowane bez kryteriów DFMA
– wynik jest możliwy do wytworzenia
tylko dzięki AM
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Optymalizacja funkcji kosztem złożoności
Konsolidacja części
• HIPERMOULDING (Wysoko wydajne formowanie wtryskowe) –
pozycjonowanie kanałów chłodzących w optymalny sposób:
konformalnie – blisko powierzchni formującej form
wtryskowych, umożliwiając efektywne zarządzanie ciepłem
• Technologie generatywne pozwalają na
zespolenie wielu komponentów w jeden
• Skutki:
Forma tradycyjna
Nowa koncepcja formy
Źródło:
Materiały do wykładu
– Redukcja kosztów
– Potencjał optymalizacji konstrukcji wyrobu
uwzględniającej tylko jego przeznaczenie
– Brak konieczności szukania kompromisów w
konstrukcji z powodów zależnych od metod
wytwarzania i montażu
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
3
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Konsolidacja części
Konsolidacja części
• „One shot” składa się z 26 różnych (ruchomych) części, ale
wykonany jest jako jeden produkt – składany stołek. Po
wytworzeniu nie wymaga montażu.
• Zespół ponad 25 części został połączony w jedną tylko część
(plus dodatkowa pokrywa), a następnie wykonany za pomocą
stereolitografii
Źródło: www.materialise.com
Politechnika Wrocławska
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Dopasowanie do kształtów anatomicznych
Dopasowanie do kształtów anatomicznych
• Idea produkowania wyrobów dopasowanych do anatomii nie
jest nowa
• Siedzenia dopasowane, wyprodukowane dla MG Rover
• Tradycyjna indywidualizacja wyrobu, dostosowująca go do
kształtu ciała,
ciał jest pracochłonna
łonna oraz zasadniczo oparta na
rzemiośle
• Części są wykonane automatycznie w technologiach
generatywnych, nie wymagają kosztownego oprzyrządowania
• W technologii generatywnych procesy wytwarzania są oparte
na modelach komputerowych, zatem mogą wytwarzać tak
skomplikowane kształty jak fragmenty ludzkiej anatomii lub
obiekty do niej dopasowane
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Dopasowanie do kształtów anatomicznych
Dopasowanie do kształtów anatomicznych
• Eleganckie tekstylia mają
ogromny i pasjonujący
potencjał
• Projekt studencki – dopasowany uchwyt rakiety tenisowej
• Przyszłe systemy
wytwarzania generatywnego
będą zdolne do
bezpośredniego tworzenia
tekstyliów
prototyp SL →
forma silikonowa →
odlewanie
próżniowe
odcisk dłoni klienta
• Przykład – suknia wykonana
przy pomocy laserowego
spiekania proszków
Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Materiały do wykładu
skanowanie laserowe
gotowa rakieta
4
Technologie Rozwoju Produktu
Politechnika Wrocławska
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Projektowanie dla AM (1)
Projektowanie dla AM (2)
• Technologie generatywne oferują wielkie możliwości
dla nowych konstrukcji. Brak oprzyrządowania oraz
eliminacja wielu ograniczeń (“Design for …”) uwalnia
projektanta do realizacji idei wcześniej trudnych do
wyobrażenia:
• Swoboda projektowania może być początkowo trudna. Dlatego
łatwiejszą drogą wykorzystywania obecnych możliwości jest
oferowanie gotowych rozwiązań dla wybranych przypadków,
które będą prowadziły projektanta przez proces
projektowania. Postępowanie zgodnie z ustalonymi regułami
będzie gwarancją wiarygodności rezultatów konstruowania.
– Kształtów o dowolnej, nawet organicznej, formie
– W praktyce polega to na utworzeniu głównej konstrukcji, która może być
indywidualizowana w oparciu o dane (geometryczne i niegeometryczne)
uzyskane od klienta
– Materiałów funkcjonalnie zmiennych
– Przykłady: hełmy, uchwyty, buty, okulary, itp. z jedną cechą dopasowaną
do wymagań klienta
– Zoptymalizowanych/przemyślanych struktur
– itp.
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Szybkie Wytwarzanie Wyrobów
Gotowych
(Rapid Manufacturing)
Politechnika Wrocławska
Rapid Manufacturing
• Technologie generatywne stają się powoli „dojrzałe”, trwają
prace nad pierwszymi standardami (np. w ASTM od 2009 roku
działa komitet F42 – Additive Manufacturing Technologies),
który opracował pierwszą normę – terminologiczną
• Materiały możliwe do przetwarzania technikami przyrostowymi
mają coraz lepsze właściwości, coraz mniej odbiegające od
właściwości materiałów stosowanych seryjnie (zwł. metale)
• Dlatego pojawiają się zastosowania tych technologii do
produkcji gotowych wyrobów
• Ekonomika produkcji wciąż wskazuje na opłacalność
wytwarzania w ten sposób jedynie wyrobów unikalnych
(jednostkowych) lub krótkich serii
Politechnika Wrocławska
Przykłady planowanych zastosowań RM
Przykład zastosowania RM (w planach)
• Przyrządy i obiekty medyczne: implanty, scaffoldy,
narzędzia chirurgiczne, przyrządy rehabilitacyjne
• Grupa firm europejskego przemysłu obuwniczego poszukuje
możliwości wytwarzania obuwia dopasowanego do
pojedynczego klienta – proces będzie się składał z 3 etapów:
• Elementy specjalistycznych strojów (dopasowane do
anatomii), np. ochraniacze, sprzęt high-tech dla
sportu wyczynowego, rekreacji i wojska (buty,
kaski/hełmy, plecaki, uchwyty)
• Indywidualizowane, wyrabiane na zamówienie
przedmioty wyposażenia domu (lampy, naczynia)
• Przedmioty artystyczne, np. rzeźby
1. planowanie geometrii nowego wyrobu zależne od
kształtu
ł istniejących
h obiektów
bi k ó – pomiar
i kształtu
ł
stopy klienta,
2. projektowanie indywidualnych produktów z
wykorzystaniem elementów „standardowych” (np.
podeszwa wybrana spośród dostępnych rozmiarów)
i „zindywidualizowanych” (wnętrze buta),
3. wytwarzanie gotowego wyrobu metodami
przyrostowymi z zastosowaniem materiałów
docelowych; najbardziej prawdopodobne
technologie mogą być pochodnymi metody SLS
© Ergoshoe
Materiały do wykładu
5
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
„Prawie RM” w Align Technology
Prawdziwe RM w firmie Boeing
• Firma produkuje tysiące aparatów „Invisalign” do korekcji
zębów, z których każdy jest przeznaczony dla innego pacjenta
• Dla wojskowych samolotów F18 fragmenty systemu kanałów
powietrznych (rys. po lewej) wytwarzane są przy pomocy spiekania
nylonu metodą SLS (nowe części na rys. środkowym)
termoformowanie!
Politechnika Wrocławska
© www.boeing.com
!
© www.invisalign.com
przebieg procesu wytwarzania korektorów
Zalety: redukcja liczby części, łatwiejszy montaż
(np. brak pasków mocujących), możliwość dodania
elementów wewnętrznych kształtujących przepływ
(niewidoczne na rysunku)
Politechnika Wrocławska
RM w przemyśle biomedycznym
• Oddział MGX firmy Materialise wytwarza lampy (stołowe, stojące lub
wiszące) na indywidualne zamówienia lub według projektów stylistów
• Klosze wytwarzane są metodą SLS z proszku poliamidowego (nylonu)
• Metodą EBM najpierw firma Arcam – producent maszyn, a potem dwie
włoskie firmy wytwarzające implanty (Adler Ortho i Lima Lto.), produkują
seryjnie (setki sztuk w roku) typowe nieindywidualizowane tytanowe
obudowy panewki stawu biodrowego, w których zaprojektowano pseudoporowatą
p
ą warstwę
ę zewnętrzną,
ę
ą, ułatwiającą
ją ą wrastanie tkanki kostnejj
pacjenta
© www.arcam.com
© www materialise-mgx com
Prawdziwe RM w firmie Materialise
“Fall of the Damned”, Luc Merx
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Nieprzemysłowe zastosowania RM
Nieprzemysłowe zastosowania RM
• Przemysł rozrywkowy – modele, pamiątki,
zabawki
• Sztuka – obiekty niewykonalne
metodami tradycyjnymi –
„obliczone” lub skopiowane z
natury (RE)
„Borromean Links” © www.bathsheba.com
Materiały do wykładu
„Holy Ghost” © www.futurefactories.com
„AI stool” © Assa Ashuach
6
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Nieprzemysłowe zastosowania RM
Nietypowe zastosowania RM
• Moda – niektóre pomysły da się zrealizować
tylko dzięki technologiom generatywnym
• Modele wielkogabarytowe – przykład: model
instalacji (1700x1300 mm, SLS/PA/malowanie)
© materialise.com
© freedomofcreation.com
Politechnika Wrocławska
© materialise.com
Politechnika Wrocławska
Nietypowe zastosowania RM
Open-source’owe systemy RM
• Elektronika – drukowanie 3D
obwodów elektrycznych
y
antena wytwarzana
y
• Przykład:
metodą drukowania
„konformalnego” –
dopasowanego do krzywizny
powierzchni substratu – z
materiału przewodzącego prąd
• fabathome.org (do 2 000 $) – dozownik
sterowany w osiach XY z jedną lub
dwiema „strzykawkami”
© University of Illinois at Urbana-Champaign
Politechnika Wrocławska
Model 1
Model 2
Politechnika Wrocławska
Open-source’owe systemy RM
Open-source’owe systemy RM
• reprap.org (400–1400 $) – odpowiednik FDM
(wyciskanie tworzywa termoplastycznego)
• makerbot.org (750–1300 $) –
kolejny odpowiednik
technologii FDM
RepRap I: Darwin
Materiały do wykładu
RepRap II: Mendel
7
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Materiały funkcjonalnie zmienne
(Functionally Graded Materials)
Materiały Funkcjonalnie Zmienne
• W materiałoznawstwie materiał funkcjonalnie zmienny może
być charakteryzowany przez zmienność w swoim składzie oraz
strukturze, występującą stopniowo w całej objętości, co może
prowadzić do pożądanych własności obiektu (Wikipedia).
(Wikipedia)
• Materiały zmienne mogą być projektowane dla specyficznych
funkcji i zastosowań. Do ich wytworzenia mogą być stosowane
różne metody, także technologie generatywne.
• Najbardziej znane dotąd obszary zastosowań takich
materiałów to tzw. bariery cieplne – ochrona konstrukcji
nośnych przed wpływem wysokich temperatur.
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Materiały zmienne – inspiracja
Materiały zmienne w technice
• Struktury funkcjonalnie zmienne są obserwowane w naturze,
np. u drzew (po lewej: przekrój bambusa) lub zwierząt (po
prawej: zewnętrzny szkielet kraba – bardzo mocna i twarda
skorupa chroniąca tkanki miękkie oraz delikatne stawy)
• Przemysł lotniczy i kosmiczny:
– Dla ochrony urządzeń i konstrukcji przed wysoką temperaturą potrzebne
są „bariery cieplne” – związki o bardzo małej przewodności cieplnej. Mają
one jednak niską wytrzymałość mechaniczną, a ich cienkie warstwy łatwo
ulegają delaminacji. Lepiej byłoby zastosować warstwy o stopniowo
zmieniającej się zawartości materiału konstrukcyjnego (metalu) i
izolacyjnego (ceramiki), na przykład:
• tytan – borek tytanu
• stop na bazie niklu – cyrkonia (ZrO2)
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Wielomateriałowy PolyJet
LENS – Laser Engineered Net Shaping
• Początek: 2007
• Zasada działania: drukowanie kilku strumieni gęstych cieczy (past)
natychmiast utwardzanych światłem
• Materiały: fotopolimery, dwa materiały główne (trzeci wspierający) podczas
jednego procesu – tzw. digital materials – mieszanina dwóch materiałów o
stopniowanym składzie (ok. 30 kombinacji)
• Przestrzeń robocza: 500x400x200 mm, grubość warstwy: 16 μm
• Cena urządzenia: ~200 tys. USD
• Liczba instalacji: kilka(naście)
• Producent: Objet (Izrael)
• Początek: 1998, Sandia National Laboratories (USA)
• Zasada działania: laserowe przetapianie proszków dozowanych strumieniowo
• Materiały: stal nierdzewna, nadstopy Inconel, Ti6Al4V
• Przestrzeń robocza: do 900x1500x900 mm
• Grubość warstwy: nd.
nd
• Cena urządzenia: >700 tys. USD
• Liczba instalacji: ~40 (2 w Europie)
dozownik
proszku
• Producent: Optomec (USA)
promień
lasera
punkt
przetapiania
proszku
Materiały do wykładu
8
Technologie Rozwoju Produktu
Politechnika Wrocławska
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Nowe technologie RM z możliwością FGM
Nowe technologie RM z możliwością FGM
• Metal Printing Process (SINTEF, Norwegia) – proces drukowania
metalu. Analogicznie jak w drukarkach laserowych materiał (proszek
metalowy lub ceramiczny) jest nanoszony na bęben w miejscach
uprzednio naładowanych elektrostatycznie, następnie cząstki metalu
w postaci „obrazu
obrazu” są
ą nanoszone na platformę roboczą i spiekane z
poprzednimi warstwami przy użyciu wysokiego ciśnienia i
temperatury.
•Plastic Printing Process (De Montford University, Wielka
Brytania) – proces podobny do MPP, różnica polega na rodzaju
materiałów (tworzywa sztuczne) i zastosowaniu lampy
utrwalającej materiał przy pomocy światła podczerwonego.
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Nowe technologie RM z możliwością FGM
Projektowanie obiektów FGM
•Multiple Deflection Continuous Jet Process lub High-Viscosity
Inkjet Printing (TNO, Holandia) – proces ciągłego natryskiwania
płynu o dużej lepkości z odchylaniem strumienia kropel.
Materiał jest natryskiwany w postaci kropli, które – naładowane
elektrostatycznie – mogą być odchylane w pożądanym kierunku.
Wiele głowic = wiele materiałów.
• Brak systemów CAD, które wspomagają modelowanie obiektów
z materiałami FGM
• Przykład: cylinder z centralnym otworem i ściankami o
zmieniającej się...
się gęstości? kompozycji? twardości?
+
-
+
-
• Koło zębate z modyfikowaną
warstwą podpowierzchniową:
Politechnika Wrocławska
Projektowanie obiektów FGM – c.d.
• Wśród dostępnych na rynku programów można znaleźć takie,
które także umożliwiają modelowanie obiektów z FGM:
– Program Mimics (firma Materialise) – modele typu FEA (MES), w których
obiekt i jego materiał opisywane są elementami skończonymi typu
„tetrahedra” (czworościennymi), z których każdy może mieć np. inną
gęstość
– Program Volume Graphics (firma VolumeGraphics GmbH) – modele
wokselowe, w których woksele posiadają „wartości”, odpowiadające
właściwościom materiału w danym sześcianie objętości obiektu
– Program InnerSpace (holenderski ośrodek badawczy TNO) – modele z
„wektorowo” zdefiniowanymi zmianami właściwości materiału, eksport w
postaci stosu obrazów rastrowych
Materiały do wykładu
9
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Medyczne zastosowania
technologii generatywnych i RE
Politechnika Wrocławska
Pozyskiwanie danych
Inżynieria odwrotna w medycynie
• Obiekty będące dziełem natury, takie jak anatomia
człowieka, mają kształty „organiczne”, bardzo
skomplikowane, niemal niemożliwe do odwzorowania przy
pomocyy prostych pomiarów długości
g
i kątów
ą
• Tylko inżynieria odwrotna, która wykorzystuje technologie
skanowania całego obiektu, może dostarczyć opisu takich
kształtów
Politechnika Wrocławska
Metody obrazowania medycznego
• Rekonstrukcja geometrii do postaci modelu 3D:
– Metody kontaktowe i optyczne w pomiarach in vitro
– Metody wykorzystujące oddziaływanie przenikliwe (CT, MRI,
USG) w pomiarach obiektów ożywionych
Tomografia
komputerowa
Rezonans
magnetyczny
Ultrasonografia
Politechnika Wrocławska
Tomografia komputerowa
Politechnika Wrocławska
Tomografia komputerowa
• Określenie niepewności pomiarów metodą CT:
– Identyfikacja czynników wpływających na dokładność
– Pomiary modeli testowych
– Wynik: błąd nie przekracza grubości
ś warstwy w CT
model CAD
Materiały do wykładu
fantom
dane z CT
zrekonstruowany
model
1
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Tomografia – skala Hounsfielda
-1024
Tomografia – Oprogramowanie do
rekonstrukcji
powietrze
Jednostki w skali Hounsfielda:
-100
0
+100
+200
tkanka tłuszczowa
WODA
HU =
μ tkanki − μ wody
⋅ 1000
μ wody
tkanka mięśniowa
tkanka gąbczasta
kość korowa
+2000
+3072
szkliwo
Politechnika Wrocławska
Thresholding i Region Growing
Politechnika Wrocławska
Wizualizacje 3D
Politechnika Wrocławska
Operacje Boolowskie
Politechnika Wrocławska
Technologie generatywne w medycynie
• Obiekty będące dziełem natury, takie jak anatomia człowieka,
mają kształty „organiczne”, bardzo skomplikowane, które jest
trudno uzyskać w konwencjonalnych procesach wytwórczych
• Przede wszystkim technologie generatywne, które oparte są
ą na
modelach komputerowych 3D, mogą być wykorzystane do
wytwarzania takich kształtów. Ekonomiczna jest produkcja
jednostkowa – nie są wymagane narzędzia specjalne!
Materiały do wykładu
2
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
AMT najczęściej wykorzystywane w medycynie
Wybrane medyczne zastosowania RE+AMT
Najwięcej doniesień literaturowych dotyczy
technologii:
1. Fused Deposition Modeling: polimery
2. Selective Laser Sintering: polimery, kompozyty
3. Selective Laser Melting: metale, ceramika,
kompozyty
4. Stereolitografia: polimery, zawiesiny ceramicznopolimerowe
4. Drukowanie 3D: polimery, ceramika, metale,
kompozyty ceramiczno-polimerowe
• Rekonstrukcje organów anatomicznych do celów
szkoleniowych i edukacyjnych
• Analiza obliczeniowa zjawisk fizycznych,
mechanicznych lub biologicznych w organizmie
• Wytwarzanie fizycznych modeli do planowania,
trenowania i wspomagania operacji chirurgicznych
• Indywidualizacja produktów w oparciu
o anatomię klienta, np. projektowanie dopasowanych
uchwytów, kasków, implantów lub protez
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
• Rekonstrukcja głowy mumii
• Rekonstrukcja czaszki Błogosławionego Czesława
mumia we wrocławskim Muzeum Człowieka
model CAD z CT
czaszka z żywicy stereolitograficznej
www.antropo.uni.wroc.p
pl
Modele antropologiczne (2)
www.an
ntropo.uni.wroc.pl
Modele antropologiczne (1)
rekonstrukcja końcowa
dodawanie skóry
Politechnika Wrocławska
tomografia
komputerowa
rekonstrukcja
w programie Mimics
rekonstrukcja końcowa
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (1)
Modele wizualne (2)
• Biomodele do planowania rekonstrukcji czaszkowotwarzowo-szczękowych
• biomodele do planowania rekonstrukcji czaszkowotwarzowo-szczękowych
rekonstrukcja danych
z tomografu
rekonstrukcje ze zdjęć tomograficznych (dane
źródłowe, widok czaszki, skóra)
Materiały do wykładu
biomodel z żywicy
stereolitograficznej
model CAD
biomodel z żywicy
stereolitograficznej
3
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (3)
Modele wizualne (4)
• Biomodele do trenowania operacji czaszkowotwarzowo-szczękowych
• Modele do planowania operacji rekonstrukcyjnych
model CAD
zrekonstruowany
z tomografii
próby cięcia
materiału
z drukarki 3D przy
pomocy narzędzi
chirurgicznych
kompletny biomodel do
trenowania operacji
Politechnika Wrocławska
plan operacji i zdjęcie
intraoperacyjne
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (5)
Modele obliczeniowe (1)
• Modele do planowania operacji rekonstrukcyjnych
• Obliczenia biomedyczne – pomiary geometrii
obiektów anatomicznych do celów badań
statystycznych
skanowanie odcisku silikonowego
Politechnika Wrocławska
model CAD
Politechnika Wrocławska
Przyrządy do wspomagania operacji (1)
Przyrządy do wspomagania operacji (2)
• SurgiGuide (z firmy Materialise) – system wspomagania
implantacji dentystycznych
• Przyrządy do wspomagania operacji chirurgicznych
model anatomiczny
przyrząd po sterylizacji
zdjęcie intraoperacyjne
przyrząd wytworzony
przyrostowo
planowanie wirtualne
Materiały do wykładu
przyrząd wytworzony przyrostowo
zdjęcie intraoperacyjne
4
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Produkty indywidualizowane (2)
• Wewnątrzuszne aparaty
słuchowe są już powszechnie
wytwarzane przyrostowo
(szacunek: > 10 mln sztuk)
• Implanty dentystyczne są masowo wytwarzane
metodami przystowymi (SLM, Laser Cusing, EBM) z
biokompatybilnych stopów tytanu
© www.imaterialise.com
Produkty indywidualizowane (1)
© www industrialnews org
Politechnika Wrocławska
© www imaterialise com
© www conceptlaser de
Politechnika Wrocławska
Implanty (1)
Implanty (2)
• Implant do rekonstrukcji żuchwy
• Implant do rekonstrukcji czaszki
patologiczna
czaszka
patologiczna
żuchwa
stereolitograficzny
prototyp implantu
stereolitograficzny
prototyp implantu
obliczanie kształtu implantu
planowanie
mocowania
Politechnika Wrocławska
planowanie
mocowania
obliczanie kształtu implantu
Politechnika Wrocławska
Implanty (3)
Implanty (4)
• Implant dopasowany
do pacjenta
• Np. pokrywa czaszki
wykonana techniką
SLS z
biokompatybilnego
polimeru PEEK
(polyether ether
ketone)
• Implant dopasowany do pacjenta
• Np. płyta na żuchwę do mocowania zębów
rekonstrukcja
anatomii
© EOS info
Materiały do wykładu
weryfikacja
projekt płyty
wytworzony implant
5
Technologie Rozwoju Produktu
Politechnika Wrocławska
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Implanty (5)
Implanty (6)
• Implant dopasowany do pacjenta
• Np. rusztowanie komórkowe do regeneracji tkanki
• Znane przypadki implantacji implantów AMT:
– implant czaszki (NL)
– panewka stawu biodrowego (AU)
– trzpień stawu biodrowego z
warstwą porowatą (DE)
– kość palca (USA)
© New Scientist
© Arcam
© MTT
© FhG IFAM
Politechnika Wrocławska
Inżynieria tkankowa
Politechnika Wrocławska
• Najnowszym trendem w wykorzystaniu AMT w medycynie jest
tzw. drukowanie tkanek, a nawet całych organów, najczęściej
w technologii „plotowania 3D”
Masowa produkcja wyrobów
indywidualizowanych
(Mass Customisation)
© iws fhg de
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Mass Customisation
Wariantowość w Mass Customisation
• Tendencja na rynku dóbr konsumenckich: oczekiwania
dotyczące unikalności oraz dopasowania wyrobów do potrzeb
klienta przy niewiele (lub wcale) zwiększonych kosztach
• Dla masowej indywidualizacji wymagane są szczególne warunki
organizacyjne i techniczne, m.in.:
• Istnieje wiele „niepełnych” realizacji koncepcji Mass
Customisation:
– sprawne zarządzanie danymi o klientach, zamówieniach i projektach
wyrobów (także ich przechowywanie)
– odpowiednia logistyka i sterowanie produkcją, np. jednoznaczna
identyfikacja wszystkich części i podzespołów na każdym etapie produkcji
– krótki czas przygotowania produkcji, przezbrojenia maszyn itp.
– minimalny (lub zerowy) koszt narzędzi specjalnych
– oprogramowanie i elektronika (wybór funkcji, za które płaci klient) –
wyroby niematerialne; zwykle i tak produkowany jest „standard”
– rowery,
rowery samochody,
samochod komputery – wybór tylko spośród oferowanych
wariantów wyposażenia – „konfiguratory” dla klientów
– wyroby sportowe (np. „mi adidas”, „nikeid”) – kształt dobierany spośród
produkowanych rozmiarów, dowolność dotyczy tylko „dekoracji”
• Definicja: „producing goods and services to meet individual
customer's needs with near mass production efficiency” (Tseng
and Jiao, 2001)
Materiały do wykładu
6
Technologie Rozwoju Produktu
Politechnika Wrocławska
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Mass Customisation dla wyrobów 2D
Mass Customisation dla wyrobów 3D
• Dla indywidualizacji wyrobów „płaskich” prostsze jest zarówno
projektowanie (zdjęcie lub szkic klienta), jak i wytwarzanie
(wydruk, wycinanie), np.:
• W przypadku produktów indywidualizowanych kształtem (3D):
–
–
–
–
–
mystamps.com – znaczki pocztowe
photomake.com – ozdoby wycinane z drewna lub tworzywa
rpiprint.com – okładki książek, ramki na zdjęcia, albumy, ...
mymms.com – cukierki M&M z nadrukiem
spreadshirt.com – t-shirty, bluzy, torebki itp.
Politechnika Wrocławska
– klient musi mieć swój udział w projektowaniu – modelowanie 3D
– wytwarzanie zazwyczaj wykorzystuje technologie generatywne
• Problemy:
– przeciętny klient nie nauczy się systemu CAD, potrzebna jest albo pomoc
specjalisty (drogiego), albo dedykowany sprzęt (RE), albo trzeba
udostępnić klientowi specjalne „kreatory” lub bardzo proste programy
do modelowania
– technologie przyrostowe wciąż mają wady – w porównaniu z wyrobami
produkowanymi tradycyjnie produkty technologii generatywnych cechuje
mniejsza wytrzymałość mechaniczna i odporność na wilgoć czy światło
Politechnika Wrocławska
Wizja: rynek informacji zamiast towarów
dane
materiał
• Kupowanie informacji (modeli 3D) zamiast towarów (gotowych
wyrobów)
„Uproszczone” systemy do modelowania
• Dla użytkowników, którzy nie są inżynierami
• Realizacja:
– Dedykowane kreatory, np. w Shapeways.com,
pozwalające na wybór z zamkniętego zestawu opcji
– Bardziej przyjazne dla użytkownika systemy do
swobodnego modelowania, np. Google SketchUp
• Już powstają repozytoria danych, np. thingiverse.com
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
MC + AM – przykłady
MC + AM – przykłady
• figureprints.com – postaci z gry „World of Warcraft” oraz
awatary z Xbox Live – drukowanie 3D
• rockband.com – postaci z gry „Rock Band” – drukowanie 3D
– wybierz postać z gry, wybierz dla niej instrument
– wybierz postać lub awatara
– wybierz postawę postaci
– dobierz wyposażenie
– po tygodniu figurkę otrzymasz pocztą (za 69 USD)
– figurkę otrzymasz pocztą
• Sukces komercyjny
– tysiące sprzedanych figurek
Materiały do wykładu
7
Technologie Rozwoju Produktu
Politechnika Wrocławska
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
MC + AM – przykłady
MC + AM – przykłady
• fabjectory.com – wytwarzanie postaci zaprojektowanych dla
„Nintendo Mii” lub awatarów zaprojektowanych w „Second
Life” lub dowolnych modeli zaprojektowanych w programie
Google SketchUp – drukowanie 3D
• shapeways.com – projekty własne lub modyfikacje modeli
wstępnie przygotowanych (specjalny kreator) – SLS i DMLS
– od 50 USD (3-calowa postać z Mii)
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
MC + AM – przykłady
MC + AM – przykłady
• landprint.com – trójwymiarowa mapa wybranego terenu z map
satelitarnych USA – drukowanie 3D
• fabidoo.com, jujups.com, zapfab.com, ponoko.com, ...
– koszt: od 24 USD za model 100x100 mm, czas dostawy – tydzień
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
MC + AM – przykłady
MC + AM – przykłady
• sculpteo.com – figurka o twarzy klienta, na podstawie 2 zdjęć
• availabot.com – wciąż rozwijany projekt indywidualizowanego
awatara dla komunikatorów internetowych
– koszt: od 59.90 €, czas dostawy – 10 dni
– zaprojektuj kształt figurki podobny do kogoś, wyślij, poczekaj na przesyłkę
– podłącz
p ą figurkę
g ę do USB, uruchom dostarczony program i będziesz
ę
wiedzieć kiedyy
ten ktoś jest on-line (po lewej) lub off-line (po prawej)
Materiały do wykładu
8
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Custom-Fit – projekt w 6PR
Politechnika Wrocławska
RM na skalę laboratoryjną –
projekt badawczy „Custom
Custom-Fit”
Fit
(2004-2009)
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Koncepcja: produkty „dopasowane”
Opis potrzeb
klienta
Zapis wymagań
niegeometrycznych
Wyroby demonstracyjne
nowe technologie
Format
neutralny
pliku danych
Projektowanie
Struktury
zmienne
etapy rozwoju
produktu
Projektowanie
dla Custom-Fit
Wytwarzanie
Siedzenie
motocykla
Kask
Wytwarzanie
FGM
Proteza
nogi
Rynek
Politechnika Wrocławska
Kask motocyklowy (struktura wewnętrzna)
Implant
kolana
Implant
żuchwy
Politechnika Wrocławska
Siedzenie motocyklowe (pomiar!)
Curves extracted from
comfort maps
Measuring pressure &
comfort
Materiały do wykładu
RM padding
ready for
assembling
Customised internal seat springs”
to personalise padding softness
9
Technologie Rozwoju Produktu
wiosna 2011
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Implant kolana (materiał FGM)
100% Ti
Take CT
scan
of tibia
bone
Automated
designed tibial
baseplate
Implant żuchwy (bioresorbowalny skafold)
100% CoCr
Take CT scan
of facial bones
RM mandible
bioresorbab e
scaffold
Customise material grading to
fit individual patient
physiology
Design mandible
implant shape
Politechnika Wrocławska
Proteza nogi (1-przebiegowa)
Scan male chalk of
stump
Model socket with valves
and fittings
RM socket and assemble with
standard components
Materiały do wykładu
10

Podobne dokumenty