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Rapid Prototyping/ Digitalisierung    

Modelle (allgemein) bei der Produktentwicklung


Ein Modell ist eine Abbildung der Wirklichkeit, wobei das Modell nicht alle Eigenschaften des Vorbilds aufweisen muß. Man unterscheidet gestalthafte, bildhafte und formale Modelle. Als gestalthafte Modelle werden verkleinerte oder vergrößerte Abbildungen bezeichnet, wobei nur bestimmte Eigenschaften des Vorbilds ausgeprägt sind (z.B. das im Windkanal optimierte Holzmodell eines neuen Fahrzeugs). Unter bildhaften Modellen werden z.B. Zeichnungen verstanden. Formale Modelle sind Datenmengen zur digitalen Erfassung des Vorbildes (z.B. das rechnerinterne Werkstückmodell).

Die Anwendung von Modellen in der Produktentwicklung wurde und wird am Lehrstuhl untersucht. Ein Ergebnis dieser Untersuchungen ist der Prozeßkettengenerator. Dieser dokumentiert die verschiedenen, in der Produktentwicklung, angewendeten Modelle. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt in der Untersuchung von gestalthaften bzw. physischen Modellen in der Produktentwicklung und der Erstellung von 3D-CAD-Daten durch die Digitalisierung realer Objekte. Es wurden zahlreiche Veröffentlichungen und Dissertationen zu diesen Themenbereichen angefertigt.

Unter Digitalsierung versteht man die tastende oder berührungslose Erfassung der Oberflächengeometrie physischer Modelle und die Datenaufbereitung bzw. Rekonstruktion des Bauteiles/Objektes. Diese wird durch die Erzeugung von Kurven und/oder Flächen einerseits oder Oberflächen beschreibender Dreiecke andererseits, auf Grundlage digitalisierter Punkte, erreicht.

Die Anwendung von physischen Modellen bietet die Möglichkeit eines besseren Kommunizierens, auch mit Nicht-Technikern (2D-Zeichnen . 3D-Denken) sowie über Abteilungs- und Firmengrenzen (Begriffsbestimmung) hinaus. Aber auch für den Konstrukteur selbst ist die Anwendung von Prototypen von Vorteil, da er haptische und kinästhetische Rückmeldungen erhält (Sehen als Schüler der tastenden Hand).

Physische Modelle können mit verschiedenen Verfahren und Materialien hergestellt werden. Eine Möglichkeit ist die Nutzung von Rapid-Prototyping-Verfahren. Die Anforderungen an ein Modell sind entsprechend dem Grad des Produktentwicklungsfortschrittes unterschiedlich. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, unabhängig vom verwendeten Material oder Fertigungsverfahren, Modelldefinitionen zu vereinbaren und den Produktentwicklungsschritten zuzuordnen.



Rapid-Prototyping    

RP-Verfahren

Rapid-Prototyping-Verfahren:

  • STL (Stereolitographie)
  • SGC (Solid Ground Curling)
  • SLS Selectives Laser Sintern
  • 3DP (3D-Printing)
  • FLM (Fused Layer Manufacturing)
  • LLM (Layer Laminated Manufacturing)


Merkmale generativer Fertigungsverfahren

Bei generativen Fertigungsverfahren werden physische, räumliche Modelle eines Formteils durch additive Formgebungsprinzipien erstellt. Das zu erzeugende Bauteil wird nicht abtragend aus einem massiven Körper herausgearbeitet (wie z.B. beim Fräsen), sondern entsteht durch Hinzufügen von Werkstoff oder Phasenübergang eines Materials vom flüssigen oder pulverförmigen Zustand in den festen Zustand. Die Fertigung erfolgt ohne die Verwendung von Formen oder Werkzeugen. Die Technologie der generativen Fertigungsverfahren wird als Rapid Prototyping bezeichnet.


Abbildung: Allgemeiner Fertigungsablauf für RP-Modelle

Alle generativen Fertigungsverfahren haben den selben allgemeinen Fertigungsablauf:
    1. Generierung der Fertigungsdaten
    • Die Ausgangsmodell ist ein eindeutiges, mathematisch definiertes, geschlossenes 3D-Datenmodell, das mit Hilfe eines CAD-Programms erstellt werden kann.
    • Das Objekt wird in übereinanderliegende Schichten, entsprechend der verfahrensbedingten Schichtdicke, aufgetrennt. Dieser Vorgang wird Slicen genannt.
    • Der Steuerrechner der Maschine berechnet den für die jeweilige Kontur der Bauteilschicht notwendigen Materialauftrag.


    2. Fertigung der Bauteile in der RP-Anlage
      Das technologische Prinzip, das verwendete Material sowie die späteren Eigenschaften des Modells sind vom jeweiligen Verfahren abhängig.


    Abbildung: Klassifizierung der Rapid-Prototyping-Verfahren.

    3. Nachbearbeitung
    In Abhängigkeit vom angewandten Verfahren erfolgt eine Säuberung, Beschichtung (Haltbarmachung) oder mechanische Nachbearbeitung.



 

RP-Anlagen am LKT

  • LOM2030E
  • Z406
  • ThermoJet

    Laminated Object Manufacturing (LOM) der Firma Helisy Inc.
    Am Lehrstuhl ist seit 1996 eine Laminated Object Manufacturing-Anlage LOM 2030E installiert. Diese LOM ist der bekannteste Vertreter der Verfahrensgruppe Layer Laminated Manufacturing (LLM). Der Begriff Laminated Object Manufacturing (LOM) ist durch die Firma Helisys Inc. geschützt worden. Der deutsche Vertrieb sowie die Weiterentwicklung und Wartung wurde durch die Firma RTV übernommen.


    Three Dimensional Printer (3DP) der Firma Z-Corporation
    Das RP-System Z406 der Z-Corporation arbeitet nach dem 3D-Druck-Verfahren (3D-Printer). Der Detalierungsgrad ist niedrig und die Modelle können ohne spezielle Infiltration nicht mechanisch belastet werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Geschwindigkeit und der einfachen Handhabung. Mit diesem System ist es möglich mehrfarbige Modelle, z.B. von Industrieanlagen, zu fertigen.


    Solid Object Printer ThermoJet der Firma 3D Systems Inc.
    Mit dem ThermoJet entwickelte die Firma 3D-Systems, Inc. eine 3D-Druck-Anlage, der nach dem Prinzip des Fused Layer Manufacturing arbeitet. Er wurde für die schnelle und unkomplizierte Herstellung von Konzeptmodellen aus hartwachsähnlichen Thermoplast konstruiert und als 3D-Netzwerkdrucker konzipiert.





  • 3D-Digitalisierung    

    3D-Digitalisierung und -Anlagen am LKT

    Unter Digitalsierung wird die taktile oder optische Erfassung der Oberflächengeometrie physischer Modelle verstanden. Das Ergebnis der Datenerfassung ist ein rechnerinternes Punktemodell, d.h. es besteht aus einer Menge von Punkten, wobei jeder Punkt durch einen bestimmten x-, y- und z-Wert definiert ist. Das Punktemodell wird als Punktewolke bezeichnet.

    Anschließend erfolgt eine Datenaufbereitung bzw. Rekonstruktion des Bauteiles/ Objektes durch die Erzeugung von Kurven auf Grundlage der digitalisierten Punkte. Der Prozeß der Generierung von konturbeschreibenden Kurven und Flächen auf der Basis von Punktedaten wird als Flächenrückführung bezeichnet.





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