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Table of Contents Introduction 1. Generative Manufacturing Processes 2. Classification of Generative Manufacturing Processes 3. Application of Generative Processes on the Fabrication of Ceramic Parts 3.1 Extrusion 3.2 3D-Printing 3.3 Sintering – Laser Sintering 3.4 Layer-Laminate Processes 3.5 Stereolithography (sometimes written: Stereo Lithography) 4. Layer Milling 5. Conclusion - Vision
Als um 1987 ein Verfahren namens Stereolithographie und ein Stereolithography Apparatus (SLA) vorgestellt wurden, war der Traum von der Herstellung beliebiger dreidimensionaler Bauteile direkt aus Computerdaten und ohne bauteilspezifische Werkzeuge Realität geworden. Ein Anwendungs-Szenario wurde gleich mitgeliefert. Diese Technologie würde es möglich machen, die gesamte Ersatzteilversorgung der Amerikanischen Pazifikflotte mittels ein paar dieser Maschinen, umfangreicher Datenstätze und genügend Rohmaterial vor Ort auf einem Flugzeugträger direkt nach Bedarf zu fertigen. Diese Vorstellung definierte schon damals die direkte digitale Fertigung, das Rapid Manufacturing. In der Realität bestanden die mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile nur aus Kunststoff, waren ungenau, bruchempfindlich und klebrig und allein in der Produktentwicklung, eben als Prototypen zu benutzen. Sie waren schnell verfügbar, weil zu Ihrer Herstellung keine Werkzeuge benötigt wurden. Folgerichtige und zudem modern hießen sie: Rapid Prototyping. Rapid Prototyping wurde schnell zum Synonym eines neuen Zweiges der Fertigungstechnik, der Generativen Fertigungstechnik. Die weitere Entwicklung brachte neue Verfahren, höhere Genauigkeiten, verbesserte Werkstoffe und neue Anwendungen. Die Herstellung von Negativen, also Werkzeugen, mit dem gleichen Verfahren wurde marketing-getrieben Rapid Tooling genannt und als die ersten Bauteile nicht mehr als Prototypen, sondern als Endprodukte eingesetzt wurden, nannte man dies Rapid Manufacturing - das Ziel war erreicht. War das Ziel wirklich erreicht? Ist es Rapid Manufacturing, wenn ein generativ gefertigtes Bauteil die gewünschte Spezifikation erreicht? Was muss passieren, damit aus dem Phänomen Rapid Prototyping eine Strategie wird, die geeignet ist, einen Paradigmenwechsel von der heutigen Hersteller-induzierten Massenproduktion von Massenartikeln zur Verbraucher-induzierten (und verantworteten) Massenproduktion von Einzelteilen für jedermann ermöglichen und möglicherweise unsere Arbeits- und Lebensformen tiefgreifend zu beeinflussen? Im Beitrag wird der Begriff der (Fertigungs-) Strategie „Rapid Manufacturing“ näher beleuchtet. Es wird diskutiert, welche Maßnahmen auf der technischen und der operative Ebene getroffen werden müssen, damit die generative Fertigungstechnik im Sinne dieser Strategie umgesetzt werden kann. Beispiele belegen, dass diese Entwicklung bereits begonnen hat und geben Anregungen für eine konstruktive Diskussion auf der RapidTech 2006.
Die Berechnung der Durchströmung von Bauteilen ist gegenüber derjenigen von umströmten Bauteilen deutlich im Hintertreffen. Das liegt vor allem an der fehlenden Verfügbarkeit geeigneter optisch transparenter Modellkanäle für die experimentelle Analyse. Der Beitrag stellt ein Verfahren zur Herstellung transparenter durchströmter Geometrien auf der Basis generativ gefertigter Urmodelle vor. Damit können beliebig komplexe Innenströmungen optisch analysiert werden. Anhand von zwei Beispielen aus der Medizin, der Modellierung der oberen Atemwege und des Bronchialbaums, wird das Verfahren vorgeführt. Der generative Bauprozess mittels 3D-Printing wird beschrieben und die Abformung in transparentem Silikon gezeigt. Schließlich werden beispielhaft der Messaufbau und Ergebnisse der Anwendung vorgestellt. Das Verfahren bildet die Grundlage für die Analyse und Berechnung komplexer Innenströmungen und trägt somit zur Verbesserung zahlreicher technischer Anwendungen bei.
Die generative Herstellung von Kunststoffbauteilen hat im Gewand des Rapid Prototyping die Produktentwicklung nachhaltig positiv beeinflusst und ist im Begriff als Rapid Manufacturing die Fertigung zu revolutionieren. Je mehr sich die besonderen Eigenschaften generativ gefertigter Kunststoffbauteile herumsprechen, desto lauter wird der Ruf nach Metallbauteilen. Die Entwicklung entsprechender Prozesse läuft auf Hochtouren, kann aber bisher aber erst vereinzelt Erfolge vorweisen. Dabei wären es gerade die Metallbauteile, die ausgestattet mit den besonderen Merkmalen generativ gefertigter Werkstücke, in vielen Branchen einen deutlichen Entwicklungsschub auslösen könnten. Für den potenziellen Anwender ist dabei besonders verwirrend, dass die unterschiedlichsten Ansätze nebeneinander verfolgt werden. Im Folgenden soll daher der Versuche unternommen werden, dieses weite Feld systematisiert darzustellen und Möglichkeiten und Trends zu erläutern.
Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid Prototyping Verfahren bekannt und haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technologie zur Fertigung erschlossen. Rapid Technologien werden daher zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien.
Cement augmentation is an emerging surgical procedure in which bone cement is used to infiltrate and reinforce osteoporotic vertebrae. Although this infiltration procedure has been widely applied, it is performed empirically and little is known about the flow characteristics of cement during the injection process. We present a theoretical and experimental approach to investigate the intertrabecular bone permeability during the infiltration procedure. The cement permeability was considered to be dependent on time, bone porosity, and cement viscosity in our analysis. In order to determine the time-dependent permeability, ten cancellous bone cores were harvested from osteoporotic vertebrae, infiltrated with acrylic cement at a constant flow rate, and the pressure drop across the cores during the infiltration was measured. The viscosity dependence of the permeability was determined based on published experimental data. The theoretical model for the permeability as a function of bone porosity and time was then fit to the testing data. Our findings suggest that the intertrabecular bone permeability depends strongly on time. For instance, the initial permeability (60.89 mm4/N.s) reduced to approximately 63% of its original value within 18 seconds. This study is the first to analyze cement flow through osteoporotic bone. The theoretical and experimental models provided in this paper are generic. Thus, they can be used to systematically study and optimize the infiltration process for clinical practice.
An optimization method is developed to describe the mechanical behaviour of the human cancellous bone. The method is based on a mixture theory. A careful observation of the behaviour of the bone material leads to the hypothesis that the bone density is controlled by the principal stress trajectories (Wolff’s law). The basic idea of the developed method is the coupling of a scalar value via an eigenvalue problem to the principal stress trajectories. On the one hand this theory will permit a prediction of the reaction of the biological bone structure after the implantation of a prosthesis, on the other hand it may be useful in engineering optimization problems. An analytical example shows its efficiency.
This work is an attempt to answer the question: How to use convex programming in shakedown analysis of structures made of materials with temperature-dependent properties. Based on recently established shakedown theorems and formulations, a dual relationship between upper and lower bounds of the shakedown limit load is found, an algorithmfor shakedown analysis is proposed. While the original problem is neither convex nor concave, the algorithm presented here has the advantage of employing convex programming tools.
The structural reliability with respect to plastic collapse or to inadaptation is formulated on the basis of the lower bound limit and shakedown theorems. A direct definition of the limit state function is achieved which permits the use of the highly effective first order reliability methods (FORM) is achieved. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis. The limit state function and its gradient are obtained from a mathematical optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error, leading to highly effective and precise reliability analyses.
The Virtual Clean Room - a new tool in teaching MST process technologies University education in high-technology fields like MST is not complete without intensive laboratory sessions. Students cannot fully grasp the complexity and the special problems related to the manufacturing of microsystems without a thorough hands-on experience in a MST clean room.
Im Studiengang Mikrosystemtechnik des Fachhochschulstandortes Zweibrücken werden zwei neue moderne Anlagen für die Herstellung von mikrotechnischen Komponenten in Betrieb genommen: Ein Oxidationsofen für Herstellung dünner Oxidschichten auf Silizium-Einkristallen und eine Belichtungsapparatur für die Fotolithografie - das Besondere an diesen Anlagen: Sie existieren nur virtuell, d.h. als Animationen in einer Computerwelt.
Kunstwerke sowie ihre Präsentation und Vermittlung werden zunehmend von digitalen Technologien unterstützt. Virtuelle Ausstellungen, Internet-Projekte und komplexe Datenarchive stellen das Kunstwerk in einen medialen Kontext, der weit über das Moment einer technischen Reproduzierbarkeit hinausgeht. Das allgegenwärtige Konzept der Vernetzung dynamisiert Kunst, ihre Rezipienten und Ausstellungsorte. Die Beziehungen zwischen diesen Feldern werden mit Hilfe physiologischer Metaphern definiert und visualisiert. Frühere Speicher und Archive geraten in einen prozessualen Sog, in dem alles fluktuiert, sich kurzweilig verknüpft, auflöst und in permanente Dialoge mit seiner Umgebung tritt - das virtuelle Museum gerät in aktuellen Standortbestimmungen in die definitorische Nähe des Künstlichen Lebens.
The load-carrying capacity or the safety against plastic limit states are the central questions in the design of structures and passive components in the apparatus engineering. A precise answer is most simply given by limit and shakedown analysis. These methods can be based on static and kinematic theorems for lower and upper bound analysis. Both may be formulated as optimization problems for finite element discretizations of structures. The problems of large-scale analysis and the extension towards realistic material modelling will be solved in a European research project. Limit and shakedown analyses are briefly demonstrated with illustrative examples.
Limit and shakedown analysis are effective methods for assessing the load carrying capacity of a given structure. The elasto–plastic behavior of the structure subjected to loads varying in a given load domain is characterized by the shakedown load factor, defined as the maximum factor which satisfies the sufficient conditions stated in the corresponding static shakedown theorem. The finite element dicretization of the problem may lead to very large convex optimization. For the effective solution a basis reduction method has been developed that makes use of the special problem structure for perfectly plastic material. The paper proposes a modified basis reduction method for direct application to the two-surface plasticity model of bounded kinematic hardening material. The considered numerical examples show an enlargement of the load carrying capacity due to bounded hardening.
Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratchetting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratchetting range. The performed experiment comprised a hollow tension specimen which was subjected to alternating axial forces, superimposed with constant moments. First, a series of uniaxial tests has been carried out in order to calibrate a bounded kinematic hardening rule. The load parameters have been selected on the basis of previous shakedown analyses with the PERMAS code using a kinematic hardening material model. It is shown that this shakedown analysis gives reasonable agreement between the experimental and the numerical results. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis.
In the new European standard for unfired pressure vessels, EN 13445-3, there are two approaches for carrying out a Design-by-Analysis that cover both the stress categorization method (Annex C) and the direct route method (Annex B) for a check against global plastic deformation and against progressive plastic deformation. This paper presents the direct route in the language of limit and shakedown analysis. This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for mechanical and thermal actions. One observation from the examples is that the so-called 3f (3Sm) criterion fails to be a reliable check against progressive plastic deformation. Precise conditions are given, which greatly restrict the applicability of the 3f criterion.
Limit loads can be calculated with the finite element method (FEM) for any component, defect geometry, and loading. FEM suggests that published long crack limit formulae for axial defects under-estimate the burst pressure for internal surface defects in thick pipes while limit loads are not conservative for deep cracks and for pressure loaded crack-faces. Very deep cracks have a residual strength, which is modelled by a global collapse load. These observations are combined to derive new analytical local and global collapse loads. The global collapse loads are close to FEM limit analyses for all crack dimensions.
Fatigue analyses are conducted with the aim of verifying that thermal ratcheting is limited. To this end it is important to make a clear distintion between the shakedown range and the ratcheting range (continuing deformation). As part of an EU-supported research project, experiments were carried out using a 4-bar model. The experiment comprised a water-cooled internal tube, and three insulated heatable outer test bars. The system was subjected to alternating axial forces, superimposed with alternating temperatures at the outer bars. The test parameters were partly selected on the basis of previous shakedown analyses. During the test, temperatures and strains were measured as a function of time. The loads and the resulting stresses were confirmed on an ongoing basis during performance of the test, and after it. Different material models were applied for this incremental elasto-plastic analysis using the ANSYS program. The results of the simulation are used to verify the FEM-based shakedown analysis.