Auslegung additiv gefertigter Polymerstrukturen an einem Beispiel der Medizintechnik

  • type: Vorlesung / Übung (VÜ)
  • chair: KIT-Fakultäten - KIT-Fakultät für Maschinenbau - Institut für Fahrzeugsystemtechnik - Bereich Leichtbautechnologie
    KIT-Fakultäten - KIT-Fakultät für Maschinenbau
  • semester: SS 2023
  • time: Di 18.04.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich


    Di 25.04.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 02.05.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 09.05.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 16.05.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 23.05.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 06.06.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 13.06.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 20.06.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 27.06.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 04.07.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 11.07.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 18.07.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich

    Di 25.07.2023
    15:45 - 17:15, wöchentlich


  • lecturer: Prof. Dr.-Ing. Luise Kärger
  • sws: 2
  • lv-no.: 2114102
  • information: Präsenz/Online gemischt
Inhalt

Additive Fertigungsverfahren, auch bekannt als „3D-Drucken“ oder „Additive Manufacturing“ (AM), erlauben die ökonomische Fertigung individualisierter Bauteile bei gleichzeitig hoher Gestaltungsfreiheit. Damit sind sie in Branchen mit sehr geringen Stückzahlen und vielen Prototypen-Untersuchungen besonders wichtig, etwa in der Medizintechnik. Beispielsweise ist es in der Orthopädie häufig hilfreich, Schienen oder Orthesen patientenindividuell hinsichtlich Anatomie und Funktionsbedarf anzupassen. Aufgrund ihrer guten Verarbeitbarkeit, einstellbaren Eigenschaften und ihrer geringen Dichte rücken dabei zunehmend polymerbasierte Werkstoffe in den Fokus. Die zielgerichtete Entwicklung solcher maßgefertigter Polymerbauteile erfordert prozess- und werkstofftechnische Kenntnisse und kann zudem durch rechnergestützte CAE-Methoden wirksam unterstützt werden.

 

In der Lehrveranstaltung lernen die Studierenden die individualisierte, additive Fertigung von Polymerbauteilen kennen und wenden sie in einem semesterbegleitenden Entwicklungsprojekt eigenständig an. Dabei gibt die Lehrveranstaltung zunächst einen Überblick über etablierte AM‑Prozesstechnologien und arbeitet am Beispiel von Extrusionsverfahren die Wechselwirkung von Material, Prozesseinstellung und Konstruktion heraus. Sonderanforderungen der Medizintechnik an die Bauteilentwicklung und Materialauswahl werden in separaten Vorlesungen vorgestellt. Anschließend folgt eine anwendungsorientierte Einführung in die praktische Bauteilauslegung gedruckter Polymerstrukturen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM). Als besonders geeigneter Ideengeber für effiziente Konstruktionslösung wird die FE-basierte Topologieoptimierung vorgestellt. Die CAE-Auslegungsmethoden werden in Übungen gezielt praktisch vertieft. Ausgerüstet mit Prozess-, Werkstoff- und Methodenwissen lösen die Studierenden in Kleingruppen abschließend ein individuelles Entwicklungsprojekt aus der Orthetik.

 

Kerninhalte:

  • Überblick über additive Fertigungsverfahren
  • Wechselwirkung Prozess-Material-Bauteil
  • Polymere in der additiven Fertigung:
    Materialwissenschaftliche Grundlagen, Material- und Bauteilprüfung,
  • Sonderaspekte der Additive Fertigung  in der Medizintechnik (externe Gastbeiträge):
    Auswahl und Zulassung von Prozess und Material, Orthetik/Prothetik als Anwendungsfall
  • Rechnergestützte Bauteilauslegung und -optimierung
    (Vorlesungen und Übungen)
  • Semesterprojekt: Auslegung, Fertigen und Prüfen eines AM-Bauteil aus dem Feld „Medizintechnik“

 

Lernziele:

Die Studierenden können…

  • … verschiedene AM-Fertigungstechnologien für Polymerbauteilen benennen, beschreiben und anhand ihrer Spezifika (v.a. Vor-/Nachteile und Verfahrensgrenzen) zielgerichtet auswählen.
  • … die Entwicklungskette in der additiven Fertigung
    (Materialauswahl, CAD, Simulation/Optimierung, Slicer-Software) erläutern und umsetzen
  • … die Wechselwirkung von Prozessstellgrößen, Materialeigenschaften und Konstruktion für Polymerbauteile am Beispiel von Extrusionsprozessen beschreiben
  • … relevante medizintechnische Zusatzaspekte, z.B. Sterilisierbarkeit oder Allergiepotential, bei der Material- und Prozessauswahl benennen und erläutern
  • ... wesentliche Konzepte der Finite-Elemente-Methode und der Topologieoptimierung erläutern
  • … die Finite-Elemente-Software „Abaqus“ zur Bauteilauslegung anwenden und Simulationsergebnisse hinsichtlich Aussagekraft und Tragfähigkeit bewerten
  • … mit der Software Tosca eine Topologieoptimierung durchführen, deren Ergebnisse interpretieren und Tragwerkskonzepte ableiten.
  • … individuelles Entwicklungsprojekt im Bereich additive Fertigung zielgerichtet bearbeiten
VortragsspracheDeutsch
Organisatorisches

Die Raumbelegung und der wöchentliche Veranstaltungstermin wird zu Beginn des Sommersemesters auf der Homepage des Instituts bekannt gegeben.

 

Aufgrund des gewünschten Betreuungsverhältnisses und der Institutsausstattung ist die maximale Anzahl der teilnehmenden Studierenden begrenzt. Die Anmeldung erfolgt über die Instituts-Homepage ab Anfang März.

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The room allocation and the weekly course dates are announced on the Institute's homepage at the beginning of the summer semester.

Due to the desired supervision ratio and the institute's equipment, the maximum number of participating students is limited.

Registration takes place via the Institute's homepage from the beginning of March.