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) Technologie generatywne (przyrostowe) Charakterystyka technologii generatywnych Technologie generatywne (Additive Manufacturing Technologies) Szybkie prototypowanie (Rapid Prototyping) Szybkie wytwarzanie narzędzi (Rapid Tooling) Szybkie wytwarzanie wyrobów (Rapid Manufacturing) Trzy cechy technologii generatywnych (przyrostowych): 1. Budowa modeli fizycznych następuje przyrostowo (addytywnie, generatywnie), przez dodawanie kolejnych porcji materiału (najczęściej warstw) 2. Procesy są sterowane komputerowo 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) 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 Zalety technologii generatywnych Krótszy czas i niższy koszt uruchomienia produkcji Niepotrzebne są formy i narzędzia produkcyjne Model CAD to prawie gotowy model technologiczny Pi ób kilk kilk d i i Pierwszy wyrób po kilku-kilkudziesięciu 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 Materiały do wykładu 1
Wady technologii generatywnych Do czasu upowszechnienia się tych technologii 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 Projektowanie dla technologii generatywnych Z uwagi na ich nowatorstwo, dla technologii generatywnych zmienia się sposób projektowania. Znikają ograniczenia metodologii Design for..., np. 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 Tradycyjne procesy projektowania Wybrane reguły DFMA dla elementów formowanych z tworzyw sztucznych: Kształty nie mogą być ani prostopadłe ani wklęsłe (uniemożliwi to wyjęcie detalu z formy) 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. Technologie generatywne nie wymagają narzędzi! Potrzeba stosowania narzędzi w konwencjonalnym wytwarzaniu stanowi jeden z czynników najbardzie j ograniczających w dzisiejszych procesach rozwoju produktu Bez wytwarzania narzędzi oraz ograniczeń Design for X, możliwości projektowania są ograniczone tylko kreatywnością projektanta Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing Geometria za darmo 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
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 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 Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing Wewnętrzne kanały przepływowe, które są wykonywane przez wiercenie (konstrukcja zgodna z kryteriami DFMA) Te same kanały przepływowe zoptymalizowane bez kryteriów DFMA wynik jest możliwy do wytworzenia tylko dzięki AM Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing 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 Forma tradycyjna Nowa koncepcja formy Źródło: Technologie generatywne pozwalają na zespolenie wielu komponentów w jeden Skutki: 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 Materiały do wykładu 3
Konsolidacja części One shot składa się z 26 różnych (ruchomych) części, ale wykonany jest jako jeden produkt składany stołek. Po wytworzeniu nie wymaga montażu. Konsolidacja części Zespół ponad 25 części został połączony w jedną tylko część (plus dodatkowa pokrywa), a następnie wykonany za pomocą stereolitografii Źródło: www.materialise.com Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing Dopasowanie do kształtów anatomicznych Dopasowanie do kształtów anatomicznych Idea produkowania wyrobów dopasowanych do anatomii nie jest nowa Tradycyjna indywidualizacja wyrobu, dostosowująca go do kształtu ciała, jest pracochłonna oraz zasadniczo oparta na rzemiośle 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 Siedzenia dopasowane, wyprodukowane dla MG Rover Części są wykonane automatycznie w technologiach generatywnych, nie wymagają kosztownego oprzyrządowania Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing Dopasowanie do kształtów anatomicznych Dopasowanie do kształtów anatomicznych Eleganckie tekstylia mają ogromny i pasjonujący potencjał Przyszłe systemy wytwarzania generatywnego będą zdolne do bezpośredniego tworzenia tekstyliów Przykład suknia wykonana przy pomocy laserowego spiekania proszków Źródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing Projekt studencki dopasowany uchwyt rakiety tenisowej odcisk dłoni klienta skanowanie laserowe prototyp SL forma silikonowa odlewanie próżniowe gotowa rakieta Materiały do wykładu 4
Projektowanie dla AM (1) 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: Zoptymalizowanych/przemyślanych struktur Kształtów o dowolnej, nawet organicznej, formie Materiałów funkcjonalnie zmiennych itp. Projektowanie dla AM (2) 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. W praktyce polega to na utworzeniu głównej konstrukcji, która może być indywidualizowana w oparciu o dane (geometryczne i niegeometryczne) uzyskane od klienta Przykłady: hełmy, uchwyty, buty, okulary, itp. z jedną cechą dopasowaną do wymagań klienta Szybkie Wytwarzanie Wyrobów Gotowych (Rapid Manufacturing) 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 Przykłady planowanych zastosowań RM Przyrządy i obiekty medyczne: implanty, scaffoldy, narzędzia chirurgiczne, przyrządy rehabilitacyjne 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 Przykład zastosowania RM (w planach) Grupa firm europejskego przemysłu obuwniczego poszukuje możliwości wytwarzania obuwia dopasowanego do pojedynczego klienta proces będzie się składał z 3 etapów: 1. planowanie geometrii nowego wyrobu zależne od kształtu ł istniejących obiektów pomiar 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
Prawie RM w Align Technology Firma produkuje tysiące aparatów Invisalign do korekcji zębów, z których każdy jest przeznaczony dla innego pacjenta Prawdziwe RM w firmie Boeing Dla wojskowych samolotów F18 fragmenty systemu kanałów powietrznych (rys. po lewej) wytwarzane są przy pomocy spiekania nylonu metodą SLS (nowe części na rys. środkowym) przebieg procesu wytwarzania korektorów termoformowanie!! www.invisalign.com Zalety: redukcja liczby części, łatwiejszy montaż (np. brak pasków mocujących), możliwość dodania elementów wewnętrznych kształtujących przepływ (niewidoczne na rysunku) www.boeing.com Prawdziwe RM w firmie Materialise 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 ą warstwę ę zewnętrzną, ę ułatwiającą ą wrastanie tkanki kostnej pacjenta www materialise-mgx com Fall of the Damned, Luc Merx www.arcam.com Nieprzemysłowe zastosowania RM Przemysł rozrywkowy modele, pamiątki, zabawki Nieprzemysłowe zastosowania RM Sztuka obiekty niewykonalne metodami tradycyjnymi obliczone lub skopiowane z natury (RE) Borromean Links www.bathsheba.com Holy Ghost www.futurefactories.com AI stool Assa Ashuach Materiały do wykładu 6
Nieprzemysłowe zastosowania RM Moda niektóre pomysły da się zrealizować tylko dzięki technologiom generatywnym Nietypowe zastosowania RM Modele wielkogabarytowe przykład: model instalacji (1700x1300 mm, SLS/PA/malowanie) freedomofcreation.com materialise.com materialise.com Nietypowe zastosowania RM Elektronika drukowanie 3D obwodów elektrycznych Przykład: antena wytwarzana metodą drukowania konformalnego dopasowanego do krzywizny powierzchni substratu z materiału przewodzącego prąd Open-source owe systemy RM fabathome.org (do 2 000 $) dozownik sterowany w osiach XY z jedną lub dwiema strzykawkami University of Illinois at Urbana-Champaign Model 1 Model 2 Open-source owe systemy RM reprap.org (400 1400 $) odpowiednik FDM (wyciskanie tworzywa termoplastycznego) Open-source owe systemy RM makerbot.org (750 1300 $) kolejny odpowiednik technologii FDM RepRap I: Darwin RepRap II: Mendel Materiały do wykładu 7
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). 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. Materiały zmienne inspiracja 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) Materiały zmienne w technice 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 (ZrO 2 ) Wielomateriałowy PolyJet 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) LENS Laser Engineered Net Shaping 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. Cena urządzenia: >700 tys. USD Liczba instalacji: ~40 (2 w Europie) Producent: Optomec (USA) dozownik proszku promień lasera punkt przetapiania proszku Materiały do wykładu 8
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. Nowe technologie RM z możliwością 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. Projektowanie obiektów FGM Brak systemów CAD, które wspomagają modelowanie obiektów z materiałami FGM Przykład: cylinder z centralnym otworem i ściankami o zmieniającej się... gęstości? kompozycji? twardości? - + - + - - Koło zębate z modyfikowaną warstwą podpowierzchniową: 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
Medyczne zastosowania technologii generatywnych i RE Inżynieria odwrotna w medycynie Obiekty będące dziełem natury, takie jak anatomia człowieka, mają kształty organiczne, bardzo skomplikowane, niemal niemożliwe do odwzorowania przy pomocy prostych pomiarów długości i kątówą Tylko inżynieria odwrotna, która wykorzystuje technologie skanowania całego obiektu, może dostarczyć opisu takich kształtów Pozyskiwanie danych 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 Tomografia komputerowa 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 fantom dane z CT zrekonstruowany model Materiały do wykładu 1
Tomografia skala Hounsfielda Tomografia Oprogramowanie do rekonstrukcji -1024-100 0 +100 +200 powietrze tkanka tłuszczowa WODA tkanka mięśniowa tkanka gąbczasta Jednostki w skali Hounsfielda: μtkanki μ wody HU = 1000 μ μ wody +2000 +3072 szkliwo kość korowa Thresholding i Region Growing Operacje Boolowskie Wizualizacje 3D 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 generaty wne, 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
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 Modele antropologiczne (1) Modele antropologiczne (2) Rekonstrukcja głowy mumii mumia we wrocławskim Muzeum Człowieka www.an ntropo.uni.wroc.pl rekonstrukcja końcowa Rekonstrukcja czaszki Błogosławionego Czesława www.antropo.uni.wroc.p pl model CAD z CT czaszka z żywicy stereolitograficznej dodawanie skóry tomografia komputerowa rekonstrukcja w programie Mimics rekonstrukcja końcowa Modele wizualne (1) Biomodele do planowania rekonstrukcji czaszkowotwarzowo-szczękowych Modele wizualne (2) biomodele do planowania rekonstrukcji czaszkowotwarzowo-szczękowych rekonstrukcja danych z tomografu rekonstrukcje ze zdjęć tomograficznych (dane źródłowe, widok czaszki, skóra) biomodel z żywicy stereolitograficznej model CAD biomodel z żywicy stereolitograficznej Materiały do wykładu 3
Modele wizualne (3) Biomodele do trenowania operacji czaszkowotwarzowo-szczękowych Modele wizualne (4) 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 plan operacji i zdjęcie intraoperacyjne Modele wizualne (5) Modele do planowania operacji rekonstrukcyjnych Modele obliczeniowe (1) Obliczenia biomedyczne pomiary geometrii obiektów anatomicznych do celów badań statystycznych skanowanie odcisku silikonowego model CAD Przyrządy do wspomagania operacji (1) SurgiGuide (z firmy Materialise) system wspomagania implantacji dentystycznych Przyrządy do wspomagania operacji (2) Przyrządy do wspomagania operacji chirurgicznych zdjęcie intraoperacyjne model anatomiczny przyrząd po sterylizacji planowanie wirtualne przyrząd wytworzony przyrostowo przyrząd wytworzony przyrostowo zdjęcie intraoperacyjne Materiały do wykładu 4
Produkty indywidualizowane (1) Wewnątrzuszne aparaty słuchowe są już powszechnie wytwarzane przyrostowo (szacunek: > 10 mln sztuk) www.imaterialise.com Produkty indywidualizowane (2) Implanty dentystyczne są masowo wytwarzane metodami przystowymi (SLM, Laser Cusing, EBM) z biokompatybilnych stopów tytanu www industrialnews org www imaterialise com www conceptlaser de Implanty (1) Implant do rekonstrukcji żuchwy Implanty (2) Implant do rekonstrukcji czaszki patologiczna żuchwa stereolitograficzny prototyp implantu patologiczna czaszka stereolitograficzny prototyp implantu obliczanie kształtu implantu planowanie mocowania obliczanie kształtu implantu planowanie mocowania 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 weryfikacja EOS info projekt płyty wytworzony implant Materiały do wykładu 5
Implanty (5) Implant dopasowany do pacjenta Np. rusztowanie komórkowe do regeneracji tkanki Implanty (6) 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 Inżynieria tkankowa 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 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.: 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 Definicja: producing goods and services to meet individual customer's needs with near mass production efficiency (Tseng and Jiao, 2001) Wariantowość w Mass Customisation Istnieje wiele niepełnych realizacji koncepcji Mass Customisation: oprogramowanie i elektronika (wybór funkcji, za które płaci klient) wyroby niematerialne; zwykle i tak produkowany jest standard rowery, samochody, 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 Materiały do wykładu 6
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.: 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. W przypadku produktów indywidualizowanych kształtem (3D): 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 Wizja: rynek informacji zamiast towarów Uproszczone systemy do modelowania dane materiał Kupowanie informacji (modeli 3D) zamiast towarów (gotowych wyrobów) Już powstają repozytoria danych, np. thingiverse.com 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 MC + AM przykłady MC + AM przykłady figureprints.com postaci z gry World of Warcraft oraz awatary z Xbox Live drukowanie 3D wybierz postać lub awatara dobierz wyposażenie figurkę otrzymasz pocztą Sukces komercyjny tysiące sprzedanych figurek rockband.com postaci z gry Rock Band drukowanie 3D wybierz postać z gry, wybierz dla niej instrument wybierz postawę postaci po tygodniu figurkę otrzymasz pocztą (za 69 USD) Materiały do wykładu 7
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 od 50 USD (3-calowa postać z Mii) MC + AM przykłady shapeways.com projekty własne lub modyfikacje modeli wstępnie przygotowanych (specjalny kreator) SLS i DMLS MC + AM przykłady landprint.com trójwymiarowa mapa wybranego terenu z map satelitarnych USA drukowanie 3D koszt: od 24 USD za model 100x100 mm, czas dostawy tydzień MC + AM przykłady fabidoo.com, jujups.com, zapfab.com, ponoko.com,... MC + AM przykłady sculpteo.com figurka o twarzy klienta, na podstawie 2 zdjęć koszt: od 59.90, czas dostawy 10 dni MC + AM przykłady availabot.com wciąż rozwijany projekt indywidualizowanego awatara dla komunikatorów internetowych zaprojektuj kształt figurki podobny do kogoś, wyślij, poczekaj na przesyłkę podłącz figurkę do USB uruchom dostarczon ro ram i będziesz wiedzieć kiedy p ą g ę, y p g ę y ten ktoś jest on-line (po lewej) lub off-line (po prawej) Materiały do wykładu 8
Custom-Fit projekt w 6PR RM na skalę laboratoryjną projekt badawczy Custom-Fit (2004-2009) Koncepcja: produkty dopasowane Wyroby demonstracyjne Opis potrzeb klienta Format neutralny pliku danych nowe technologie etapy rozwoju produktu Zapis wymagań niegeometrycznych Projektowanie Struktury zmienne Projektowanie dla Custom-Fit Wytwarzanie Wytwarzanie FGM Rynek Siedzenie motocykla Implant kolana Kask Implant żuchwy Proteza nogi Kask motocyklowy (struktura wewnętrzna) Siedzenie motocyklowe (pomiar!) Curves extracted from comfort maps RM padding ready for assembling Measuring pressure & comfort Customised internal seat springs to personalise padding softness Materiały do wykładu 9
Implant kolana (materiał FGM) Implant żuchwy (bioresorbowalny skafold) Take CT scan of tibia bone Automated designed tibial baseplate 100% Ti 100% CoCr Customise material grading to fit individual patient physiology Take CT scan of facial bones Design mandible implant shape RM mandible bioresorbab e scaffold 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