3D-Druck 101

Anonim

Es ist mehr als 30 Jahre her, seit der 3D-Druck erfunden wurde, und dennoch ist die Technologie in mancherlei Hinsicht immer noch eine Grenze unerforschten Potentials.

Die dreidimensionale Druck-und additive Fertigung im Allgemeinen ist der Prozess des Ablagerns von Material, Schicht für Schicht, in Mustern, die durch Computersoftware bestimmt werden, um ein dreidimensionales Objekt präzise herzustellen. Die Technologie wurde zur Herstellung von Hüft- und Zahnimplantaten sowie von Architekturmodellen und Werkzeugen für die Luft- und Raumfahrt verwendet, einschließlich eines Steckschlüssels, den Astronauten kürzlich an Bord der Internationalen Raumstation gedruckt haben.

In den meisten Fällen ist 3D-Druck jedoch ein kleines Fertigungswerkzeug, das von Ingenieuren und Designern verwendet wird, um schnell einen Prototyp zu drucken. In den letzten Jahren hat der Zugang zu erschwinglichen Desktop-3D-Druckern dazu beigetragen, die Bewegung des Maklers voranzutreiben und Studenten und Hobbyisten die Möglichkeit zu geben, mit der Technologie zu experimentieren.

John Hart, Mitsui Career Development Associate Professor für Contemporary Technology and Mechanical Engineering am MIT, sagt, dass eine frühzeitige Ausbildung im 3-D-Druck der Schlüssel zur Unterstützung der Technologie als Industrie ist. Im Jahr 2013 schuf Hart einen MIT-Graduiertenkurs, 2.S998 (Additive Manufacturing), der die Grundlagen, Anwendungen und Implikationen des 3-D-Drucks untersucht. Die Studenten besuchen Vorlesungen, lernen kommerzielle 3D-Drucker zu verwenden, um benutzerdefinierte Objekte herzustellen, und machen einen Brückenbauwettbewerb, um zu sehen, wer die robusteste Brücke mit dem geringsten Gewicht entwerfen und drucken kann.

Hart hat den Kurs und seine Ergebnisse in einem Artikel in der Zeitschrift Additive Manufacturing beschrieben. Die Klassenprojekte der Studenten haben zu mehreren Patenten und unternehmerischen Bemühungen geführt.

"Ich habe es sehr genossen, den Kurs zu erstellen und zu unterrichten, und ich bin stolz auf das, was die Studenten getan haben und was es über das zukünftige Potenzial der additiven Fertigung bedeutet", sagt Hart. "Außerdem denke ich, dass es für die Fakultät weltweit wichtig ist, unsere Lehransätze zu teilen, und dies kann eine bessere praktische Ausbildung ermöglichen und die Innovation in Design und Fertigung beschleunigen."

Wenn sich die Schüler mit den Prinzipien und Prozessen des 3-D-Drucks vertraut gemacht haben, fordert Hart sie auf, die Technologie neu zu erfinden.

"Ich habe sie gefragt, ob sie sich komplett aus der Bahn werfen könnten, ob sie einen 3D-Drucker, der noch nie zuvor hergestellt wurde, oder ein nützliches Material, das mit den aktuellen Druckern nicht bedruckt werden kann, haben könnten." Hart sagt. "Wir identifizieren die größten Probleme oder kreativen Möglichkeiten, dann regieren wir uns selbst und sagen: 'Was können wir eigentlich dieses Semester machen?'"

Wie sich herausstellte, stellten Hart und die Schüler fest, dass 3D-Drucker so gestaltet werden können, dass sie einige ziemlich unerwartete Materialien drucken können. Zu den letzten Projekten der Studenten zählen Drucker, die speziell für den Druck von geschmolzenem Glas und sogar Softeis hergestellt wurden. Der Kurs bildet nicht nur die Schüler aus, sondern zeigt Hart auch, wie die Zukunft des 3-D-Drucks aussehen könnte.

"Wenn man sich auch nur den einfachsten 3D-Drucker ansieht, ist es ein Vehikel, um über Maschinendesign, Software und Materialverarbeitung zu lernen", sagt Hart. "Das ist eine sehr praxisorientierte Art und Weise zu lernen und zu innovieren."

Das ABC von 3-DP

Für diejenigen Studenten, die Hart's Additive Manufacturing-Kurs besucht haben, ist die Erfahrung eine konzentrierte, semesterlange Dosis 3D-Druck. Der Kurs beginnt mit Vorträgen zu den grundlegenden Prinzipien der Technologie, zusammen mit Laboren, in denen Studenten mit Desktop-Druckern experimentieren können.

Als erste Laboraufgabe wurden die Studenten gebeten, ein Teil oder eine Baugruppe aus Teilen zu entwerfen und zu drucken, die mit traditionellen Fertigungsmethoden schwer herzustellen wären. Für diese Teile haben sich die Studenten entschieden, personalisiertes Zubehör für Elektronik, kleine Schmuckstücke, einen Kabelorganisator und ein Gehäuse für eine kundenspezifische Leiterplatte zu drucken. Nach dem Druck ihrer Teile inspizierten die Studenten sie auf Mängel und bewerteten die Grenzen des damit verbundenen 3-D-Druckprozesses.

Nachdem die Studenten sich mit den 3-D-Druckern vertraut gemacht hatten, forderte Hart sie mit einem Brückenbauwettbewerb heraus, um eine mehrteilige Brücke mit dem höchsten Verhältnis von Stärke zu Gewicht 3-D-Druck zu machen. Die Designs reichten von ihrer inneren Zusammensetzung bis hin zur Gesamtform, einschließlich eines Designs, das von den Knochenstrukturen in Vogelschnäbeln inspiriert wurde. Das Gewinner-Design war jedoch das einfachste und konnte als einzelnes Stück gedruckt und entwirrt werden, um die spezifizierten Dimensionen zu überspannen.

Für das Abschlussprojekt des Kurses wurden die Studenten gebeten, "einen neuartigen Beitrag zur additiven Fertigungstechnologie zu konzipieren, zu begründen, zu entwerfen und zu prototypisieren", so Harts Papier. Hart startete das Projekt, indem er Themen vorschlug, darunter das Drucken neuartiger Materialien wie Lebensmittel, Biomaterialien oder Verbundwerkstoffe, die Verbesserung der Geschwindigkeit und Qualität des 3-D-Drucks oder das Scannen in den 3-D-Druckprozess.

"Über das Wissen und die Ideen hinaus war die furchtlose Einstellung und die Fähigkeit der Studenten, schnelle Prototypen zu hacken und Räume von Forschungslaboren bis hin zu Fertigungsräumen zu nutzen, für den Bau von Hardware und die Verwirklichung von Projekten essenziell", sagt Hart.

Vom Gefrierschrank bis zur Flamme

Am Ende des Kurses stellten die Studenten ihre Abschlussprojekte auf einer öffentlich zugänglichen Ausstellung vor. Ein Projekt war insbesondere eine Sofortwerbung: ein 3D-Drucker, der Softeis-Eiscreme druckte. Die Studenten benutzten einen preiswerten Drucker, klappten ihn um und legten ihn in einen kleinen Gefrierschrank, in den sie einen Strom von Eiscreme aus einer rotierenden Cuisinart fütterten. Um die Eiscreme, während sie gedruckt wurde, schnell einzufrieren, leiteten die Studenten auch eine Zufuhr von flüssigem Stickstoff ein. Mit diesem Setup druckten sie Eiscreme in dreidimensionalen Mustern von Sternen und Kreisen.

Ein anderes Studententeam, darunter ein erfahrener Glasbläser, entwarf einen Drucker, um Skulpturen aus geschmolzenem Glas herzustellen - ein Design, für das sie inzwischen ein Patent angemeldet haben.

"Sie haben ihren Drucker komplett von Grund auf neu gebaut und Experimente im MIT Glass Lab durchgeführt", sagt Hart. "Sie schöpften geschmolzenes Glas aus dem Ofen und gossen es in den Drucker und standen daneben mit Fackeln, als sie lernten, wie man den Prozess kontrolliert."

Hart hofft, dass der Artikel über die Klasse anderen Institutionen helfen wird, Bildungsinitiativen im 3-D-Druck zu entwickeln, was wesentlich ist, um seine Fähigkeiten und Anwendungen zu erweitern. Neben dem Graduiertenkurs bietet er auch ein einwöchiges Sommerprogramm für Profis an, das Führungskräfte, Ingenieure und Designer aus den unterschiedlichsten Disziplinen anzieht. Er hofft außerdem, am MIT ein Industriekonsortium zu bilden, um die Bemühungen in der additiven Fertigung zu unterstützen.

"Durch unsere Lehre und Forschung hoffen wir, neue Möglichkeiten für den 3-D-Druck zu eröffnen", sagt Hart. "Für mich ist noch nicht klar, was all diese Möglichkeiten sind. Es ist nur eine Frage der Zeit für die Kreativität der Welt, das herauszufinden."

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