Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Generatywne technologie
wytwarzania
(Additive Manufacturing
Technologies)
Politechnika Wrocławska
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
Technologie generatywne
(przyrostowe)
Szybkie prototypowanie
(Rapid Prototyping)
Technologie generatywne
Szybkie wytwarzanie narzędzi
(Additive Manufacturing
(Rapid Tooling)
Technologies)
Szybkie wytwarzanie wyrobów
(Rapid Manufacturing)
Materiały do wykładu 1
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Charakterystyka technologii
generatywnych
" 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)
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
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 wyrób po kilku-kilkudziesięciu godzinach!
" Dowolność kształtów wyrobów
 Można wytwarzać wyroby dotąd  nietechnologiczne
 Technologie opłacalne w produkcji jednostkowej
" Materiały i struktury funkcjonalnie zmienne
 Model geometryczny może być efektem obliczeń
optymalizacyjnych, nawet bardzo skomplikowany
 Materiał można zmieniać w czasie trwania procesu
Materiały do wykładu 2
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Wady technologii generatywnych
" Do czasu upowszechnienia się tych technologii&
 drogie materiały (np. proszek tytanu  800 Ź /kg)
 drogie urządzenia (np. SLM  700 000 Ź )
" 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
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
Politechnika Wrocławska
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 przewi-
dywalność procesów przepływu i stygnięcia materiału)
  Zaplanuj położenie linii podziału
  Unikaj ostrych krawędzi
  Minimalizuj efekt linii połączeń
oraz śladów po wypychaczach
i wlewkach
Materiały do wykładu 3
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Technologie generatywne nie wymagają
narzędzi!
"  Potrzeba stosowania narzędzi w
konwencjonalnym wytwarzaniu stanowi
jeden z czynników najbardziej
ograniczających w dzisiejszych procesach
rozwoju produktu
" Bez wytwarzania narzędzi oraz ograniczeń
 Design for X , możliwości projektowania
są ograniczone tylko kreatywnością
projektanta
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
 Geometria za darmo
" W technologiach generatywnych możliwe jest
wykonanie niemal dowolnie skomplikowanej
geometrii bez dodatkowych kosztów
" Czas przygotowania jest tak krótki, że
projektant może skupić się na swoim głównym
zadaniu  projektowaniu
produktu
"  Otwórz swój umysł
Politechnika Wrocławska
Przykłady swobody projektowania (1)
y
ródło: www.materialise.com
Materiały do wykładu 4
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Przykłady swobody projektowania (2)
y
ródło: www.materialise.com
Politechnika Wrocławska
Obszary szczególnych korzyści:
" Optymalizacja funkcji kosztem złożoności
geometrycznej
" Konsolidacja części  złożone zespoły
wytwarzane jako jeden komponent
" Dopasowanie wyrobu do kształtów
anatomicznych
Politechnika Wrocławska
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!
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Materiały do wykładu 5
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Optymalizacja funkcji kosztem
złożoności
" Uniwersytet w Loughborough prowadził badania nad
optymalizacją konstrukcji w celu stworzenia złożonych
struktur wewnętrznych
Wewnętrzne kanały przepływowe, Te same kanały przepływowe
które są wykonywane przez zoptymalizowane bez kryteriów
wiercenie (konstrukcja zgodna z DFMA  wynik jest możliwy do
kryteriami DFMA) wytworzenia tylko dzięki AM
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Optymalizacja funkcji kosztem
złożoności
" HIPERMOULDING (Wysoko wydajne formowanie
wtryskowe)  pozycjonowanie kanałów chłodzących w
optymalny sposób: konformalnie  blisko powierzchni
formującej form wtryskowych, umożliwiając efektywne
zarządzanie ciepłem
Forma Nowa koncepcja formy
tradycyjna
y
ródło:
Politechnika Wrocławska
Konsolidacja części
" 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
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Materiały do wykładu 6
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Konsolidacja części
"  One shot składa się z 26 różnych (ruchomych) części,
ale wykonany jest jako jeden produkt  składany stołek.
Po wytworzeniu nie wymaga montażu.
y
ródło: www.materialise.com
Politechnika Wrocławska
Konsolidacja części
" Zespół ponad 25 części został połączony w jedną tylko
część (plus dodatkowa pokrywa), a następnie wykonany za
pomocą stereolitografii
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
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
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Materiały do wykładu 7
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Dopasowanie do kształtów anatomicznych
" Siedzenia dopasowane, wyprodukowane dla MG Rover
" Części są wykonane automatycznie w technologiach
generatywnych, nie wymagają kosztownego
oprzyrządowania
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
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
y
ródło: Hopkinson (2006): Rapid Manufacturing
Politechnika Wrocławska
Dopasowanie do kształtów anatomicznych
" Projekt studencki  dopasowany uchwyt rakiety tenisowej
odcisk dłoni klienta prototyp SL
forma silikonowa
odlewanie
próżniowe
skanowanie laserowe gotowa rakieta
Materiały do wykładu 8
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
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.
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
Szybkie Wytwarzanie Wyrobów
Gotowych
(Rapid Manufacturing)
Materiały do wykładu 9
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
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
" 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. rzez
by
Politechnika Wrocławska
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
istniejących obiektów  pomiar kształtu stopy klienta,
2. projektowanie indywidualnych produktów z wykorzysta-
niem 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 10
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
 Prawie RM w Align Technology
" Firma produkuje tysiące aparatów  Invisalign do korekcji
zębów, z których każdy jest przeznaczony dla innego
pacjenta
przebieg procesu wytwarzania korektorów
!
termoformowanie!
Politechnika Wrocławska
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)
Zalety: redukcja liczby części, łatwiejszy montaż
(np. brak pasków mocujących), możliwość
dodania elementów wewnętrznych
kształtujących przepływ (niewidoczne na
rysunku)
Politechnika Wrocławska
Prawdziwe RM w firmie Materialise
" 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)
 Fall of the Damned , Luc Merx
Materiały do wykładu 11
w
� ww.invisalign.com
w
� ww.boeing.com
w
� ww materialise-mgx com
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
RM w przemyśle biomedycznym
" 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 pseudo-porowatą warstwę zewnętrzną, ułatwiającą
wrastanie tkanki kostnej pacjenta
Politechnika Wrocławska
Nieprzemysłowe zastosowania RM
" Przemysł rozrywkowy  modele, pamiątki,
zabawki
Politechnika Wrocławska
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 12
w
� ww.arcam.com
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Nieprzemysłowe zastosowania RM
" Moda  niektóre pomysły da się zrealizować
tylko dzięki technologiom generatywnym
� freedomofcreation.com � materialise.com
Politechnika Wrocławska
Nietypowe zastosowania RM
" Modele wielkogabarytowe  przykład:
model instalacji (1700x1300 mm, SLS+PA/
malowanie)
� materialise.com
Politechnika Wrocławska
Nietypowe zastosowania RM
" Elektronika  drukowanie 3D
obwodów elektrycznych
" Przykład: antena
wytwarzana metodą
drukowania  konformalnego
 dopasowanego do
krzywizny powierzchni
substratu  z materiału
przewodzącego prąd
� University of Illinois at Urbana-Champaign
Materiały do wykładu 13
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Open-source owe systemy RM
" fabathome.org (do 2 000 $) 
dozownik sterowany w osiach XY z
jedną lub dwiema  strzykawkami
Model 1 Model 2
Politechnika Wrocławska
Open-source owe systemy RM
" reprap.org (400 1400 $)  odpowiednik
FDM (wyciskanie tworzywa
termoplastycznego)
RepRap I: Darwin RepRap II: Mendel
Politechnika Wrocławska
Open-source owe systemy RM
" makerbot.org (750 1300 $)
kolejny odpowiednik
technologii FDM
Materiały do wykładu 14
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Materiały funkcjonalnie
zmienne
(Functionally Graded
Materials)
Politechnika Wrocławska
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.`
Politechnika Wrocławska
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 do wykładu 15
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
Materiały zmienne w technice
" Przemysł lotniczy i kosmiczny:
 Dla ochrony urządzeń i konstrukcji przed wysoką temperaturą po-
trzebne są  bariery cieplne  związki o bardzo małej przewodności
cieplnej. Mają one jednak niską wytrzymałość mechaniczną, a ich
cienkie warstwy łatwo ulegają delaminacji. Lepiej byłoby zastoso-
wać warstwy o stopniowo zmieniającej się zawartości materiału
konstrukcyjnego (metalu) i izolacyjnego (ceramiki), np.:
" tytan  borek tytanu
" stop na bazie niklu  cyrkonia (ZrO2)
Politechnika Wrocławska
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 źm
" Cena urządzenia: ~200 tys. USD
" Liczba instalacji: kilka(naście)
" Producent: Objet (Izrael)
Politechnika Wrocławska
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
dozownik
" Liczba instalacji: ~40 (2 w Europie)
proszku
promień
lasera
" Producent: Optomec (USA)
punkt
przetapiania
proszku
Materiały do wykładu 16
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
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 są nanoszone na platformę
roboczą i spiekane z poprzednimi warstwami przy użyciu
wysokiego ciśnienia i temperatury.
Politechnika Wrocławska
Nowe technologie RM z możliwością FGM
" 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
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.
-
-
-
-
+ +
+ +
-
-
-
-
Materiały do wykładu 17
Wstęp do generatywnych technologii wytwarzania 2012
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
Projektowanie obiektów FGM  c.d.
" Wśród dostępnych na rynku programów można znalez
ć
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 18
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Medyczne zastosowania
technologii generatywnych i RE
Politechnika Wrocławska
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 kątów
" Tylko inżynieria odwrotna, która wykorzystuje
technologie skanowania całego obiektu, może
dostarczyć opisu takich kształtów
Politechnika Wrocławska
Pozyskiwanie danych
" 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
Materiały do wykładu 1
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Metody obrazowania medycznego
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 warstwy w CT
model CAD fantom dane z CT zrekonstruowany
model
Materiały do wykładu 2
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Tomografia  skala Hounsfielda
-1024
powietrze
Jednostki w skali Hounsfielda:
m�tkanki -� m�wody
HU =� ��1000
-100 tkanka tłuszczowa
m�wody
0 WODA
+100
tkanka mięśniowa
+200 tkanka gąbczasta
kość korowa
+2000
szkliwo
+3072
Politechnika Wrocławska
Tomografia  Oprogramowanie do
rekonstrukcji
Politechnika Wrocławska
Thresholding i Region Growing
Materiały do wykładu 3
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Operacje Boolowskie
Politechnika Wrocławska
Wizualizacje 3D
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 na
modelach komputerowych 3D, mogą być wykorzystane do
wytwarzania takich kształtów. Ekonomiczna jest produkcja
jednostkowa  nie są wymagane narzędzia specjalne!
Materiały do wykładu 4
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
AMT najczęściej wykorzystywane w medycynie
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
ceramiczno-polimerowe
4. Drukowanie 3D: polimery, ceramika, metale,
kompozyty ceramiczno-polimerowe
Politechnika Wrocławska
Wybrane medyczne zastosowania
RE+AMT
" 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 anato-
mię klienta, np. projektowanie dopasowanych
uchwytów, kasków, implantów lub protez
Politechnika Wrocławska
Modele antropologiczne (1)
" Rekonstrukcja głowy mumii
mumia we wrocławskim Muzeum Człowieka rekonstrukcja końcowa
dodawanie skóry
model CAD z CT czaszka z żywicy SL
Materiały do wykładu 5
www.antropo.uni.wroc.pl
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Modele antropologiczne (2)
" Rekonstrukcja czaszki Błogosławionego Czesława
rekonstrukcja
rekonstrukcja
końcowa
w programie Mimics
tomografia
komputerowa
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (1)
" Biomodele do planowania rekonstrukcji
czaszkowo-twarzowo-szczękowych
rekonstrukcje ze zdjęć tomograficznych (dane biomodel z żywicy
z
ródłowe, widok czaszki, skóra) stereolitograficznej
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (2)
" biomodele do planowania rekonstrukcji
czaszkowo-twarzowo-szczękowych
rekonstrukcja danych
z tomografu
model CAD
biomodel z żywicy
stereolitograficznej
Materiały do wykładu 6
www.antropo.uni.wroc.pl
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (3)
" Biomodele do trenowania operacji czaszkowo-
twarzowo-szczękowych
próby cięcia
model CAD
materiału
zrekonstruowany kompletny biomodel
z drukarki 3D przy
z tomografii
do trenowania
pomocy narzędzi
operacji
chirurgicznych
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (4)
" Modele do planowania operacji
rekonstrukcyjnych
plan operacji i zdjęcie
intraoperacyjne
Politechnika Wrocławska
Modele wizualne (5)
" Modele do planowania operacji
rekonstrukcyjnych
Materiały do wykładu 7
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Modele obliczeniowe (1)
" Obliczenia biomedyczne  pomiary geometrii
obiektów anatomicznych do celów badań
statystycznych
skanowanie odcisku silikonowego model CAD
Politechnika Wrocławska
Przyrządy do wspomagania operacji
(1)
" SurgiGuide (z firmy Materialise)  system wspomagania
implantacji dentystycznych
zdjęcie
intraoperacyjne
przyrząd wytworzony
przyrostowo
planowanie wirtualne
Politechnika Wrocławska
Przyrządy do wspomagania operacji
(2)
" Przyrządy do wspomagania operacji
chirurgicznych
model anatomiczny przyrząd po sterylizacji
przyrząd wytworzony przyrostowo zdjęcie intraoperacyjne
Materiały do wykładu 8
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Produkty indywidualizowane (1)
" Wewnątrzuszne aparaty
słuchowe są już
powszechnie wytwarzane
przyrostowo (szacunek: >
10 mln sztuk)
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
Implanty (1)
" Implant do rekonstrukcji żuchwy
patologiczna
żuchwa
stereolitograficzny
prototyp implantu
obliczanie kształtu implantu planowanie
mocowania
Materiały do wykładu 9
� www.imaterialise.com
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Implanty (2)
" Implant do rekonstrukcji czaszki
patologiczn
a czaszka
stereolitograficzn
y prototyp
implantu
obliczanie kształtu implantu planowanie
mocowania
Politechnika Wrocławska
Implanty (3)
" Implant
dopasowany do
pacjenta
" Np. pokrywa czaszki
wykonana techniką
SLS z
biokompatybilnego
polimeru PEEK
(polyether ether
ketone)
� EOS info
Politechnika Wrocławska
Implanty (4)
" Implant dopasowany do pacjenta
" Np. płyta na żuchwę do mocowania zębów
rekonstrukcj
a anatomii weryfikacja
projekt płyty wytworzony implant
Materiały do wykładu 10
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Implanty (5)
" Implant dopasowany do pacjenta
" Np. rusztowanie komórkowe do regeneracji
tk ki
Politechnika Wrocławska
Implanty (6)
" Znane przypadki implantacji wyrobów AMT:
 implant czaszki (NL)
 panewka stawu biodrowego (AU)
 trzpień stawu biodrowego z
warstwą porowatą (DE)
 kość palca (USA)
� New Scientist
� Arcam
� FhG IFAM
� MTT
Politechnika Wrocławska
Inżynieria tkankowa (1)
" Najnowszym trendem w wykorzystaniu AMT w medycynie
jest tzw. drukowanie tkanek, a nawet całych organów,
najczęściej w technologii  plotowania 3D
� iws fhg de
Materiały do wykładu 11
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Inżynieria tkankowa (2)
" Proces budowania organu z komórek
Rekonstrukcja modelu Plan budowy w warstwach Hodowla komórek
organu
Bio-ploter/printer Podajniki komórek Budowany obiekt Gotowy organ
Politechnika Wrocławska
Masowa produkcja wyrobów
indywidualizowanych
(Mass Customisation)
Politechnika Wrocławska
Mass Customisation
" Tendencja na rynku dóbr konsumenckich: oczekiwania dotyczące
unikalności oraz dopasowania wyrobów do potrzeb klienta przy
niewiele (lub wcale nie) 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)
Materiały do wykładu 12
� www washingtonpost com
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Wariantowość w Mass Customisation
" Istnieje wiele niepełnych realizacji koncepcji MC:
 wyroby niematerialne: oprogramowanie i elektronika  wybór
funkcji, za które płaci klient (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
Politechnika Wrocławska
Mass Customisation dla wyrobów 2D
" 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.
Politechnika Wrocławska
Mass Customisation dla wyrobów 3D
" 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
Materiały do wykładu 13
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Wizja: rynek informacji zamiast towarów
dane
materiał
" Kupowanie informacji (modeli 3D) zamiast towarów
(gotowych wyrobów)
" Już powstają repozytoria danych, np. thingiverse.com
Politechnika Wrocławska
 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
Politechnika Wrocławska
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
Materiały do wykładu 14
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
MC + AM  przykłady
" 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)
Politechnika Wrocławska
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)
Politechnika Wrocławska
MC + AM  przykłady
" shapeways.com  projekty własne lub modyfikacje modeli
wstępnie przygotowanych (specjalny kreator)  SLS i DMLS
Materiały do wykładu 15
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
MC + AM  przykłady
" fabidoo.com, jujups.com, zapfab.com, ponoko.com, ...
Politechnika Wrocławska
MC + AM  przykłady
" sculpteo.com  figurka o twarzy klienta, na podstawie 2
zdjęć
 koszt: od 59.90 Ź , czas dostawy  10 dni
Materiały do wykładu 16
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
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 dostarczony program i będziesz wiedzieć
kiedy ten ktoś jest on-line (po lewej) lub off-line (po prawej)
Politechnika Wrocławska
RM na skalę laboratoryjną 
projekt badawczy  Custom-Fit
(2004-2009)
Politechnika Wrocławska
Custom-Fit  projekt w 6PR
Materiały do wykładu 17
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Koncepcja: produkty  dopasowane
nowe technologie
Opis potrzeb
Format
klienta
neutralny etapy rozwoju
produktu
pliku danych
Zapis wymagań
niegeometrycznych
Projektowanie
Projektowanie
dla Custom-Fit
Struktury
zmienne
Wytwarzanie
Wytwarzanie
FGM
Rynek
Politechnika Wrocławska
Wyroby demonstracyjne
Siedzenie Kask
motocykla
Proteza
nogi
Implant Implant
kolana
żuchwy
Politechnika Wrocławska
Kask motocyklowy (struktura wewnętrzna)
Materiały do wykładu 18
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
Politechnika Wrocławska
Siedzenie motocyklowe (pomiar!)
Curves extracted from
comfort maps
RM padding
ready for
assembling
Customised internal seat
springs to personalise
Measuring pressure &
padding softness
comfort
Politechnika Wrocławska
Implant kolana (materiał FGM)
100% Ti 100% CoCr
Customise material grading
Take CT
to fit individual patient
Automated
scan
physiology
designed tibial
of tibia
baseplate
bone
Politechnika Wrocławska
Implant żuchwy (bioresorbowalny skafold)
Take CT scan
of facial
RM mandible
bones
bioresorbabl
e scaffold
Design mandible
implant shape
Materiały do wykładu 19
Medyczne zastosowania AMT i RE 2012
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 20