Politechnika Wrocławska
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