uniKIK
Projektkurs zur Förderung von Oberstufenschüler/innen
Aktuelle Kursperiode der Gauß-AG plus
10. Kursperiode: Mai-Dezember 2012
„Das virtuelle Ich“ -Das virtuelle Ich oder wie sich Kräfte in der Hüfte berechnen lassen-
Fakultät für Maschinenbau
Institut für Umformtechnik und Unformmaschinen
Die Forschungssituation am Institut
Wer denkt schon an Medizintechnik, wenn sie oder er Maschinenbau hört? Was viele nicht wissen, der Maschinenbau hat sehr viel mit Medizintechnik zu tun. Besonders in Hannover gibt es zahlreiche Institute die sich mit Fragestellungen aus der Medizin befassen.
Auch das Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen gehört dazu. Im Zentrum der Forschung stehen hier Endoprothesen. Endoprothesen sind Implantat, die sich dauerhaft im Körper bleiben und die Funktion eines Körperteils ganz oder teilweise ersetzen. Zu den bekanntesten Bespielen zähen die künstliche Hüftgelenkprothese und die Knieprothese.
Ein großes Problem stellt die Lockerung der Prothese nach der Implantation dar. Ein Grund dafür ist die Belastungsabschirmung im umliegenden Knochengewebe, der zu einem Knochenabbau führt. Diese Belastungsabschirmung resultiert unter anderem aus den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von Knochen und Implantat, sowie aus der Veränderung der natürlichen Lastverteilung.
Am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen wurde bereits eine Methode entwickelt, diesen Knochenumbau zu simulieren und zu untersuchen. Allerdings wurde bis jetzt der Einfluss der Prothesenlockerung noch nicht berücksichtigt, was in Zukunft jedoch realisiert werden soll.
Eure Aufgabe
Für dieses Ziel ist es geplant, dass ihr ein virtuelles Menschenmodell von euch selbst erstellt. Dabei sollt ihr zuerst Ganganalysen durchführen, was in einem speziellen Ganganalyselabor erfolgt. Diese Analysen sehen so aus, dass eure Bewegung während des Laufens auf einem Laufband von Spezialkameras aufgenommen wird. Anschließend kommt eine spezielle Software zum Einsatz mit der die aufgenommenen Bewegungsdaten bearbeitet werden, so dass diese für die Modellierung eures virtuellen Ichs genutzt werden können. Diese virtuelle Kopie von Euch werdet ihr dann mit Hilfe eines Mehrkörpersimulationsproramms aufbauen und anschließend durch die aufgenommenen Bewegungsdaten zum Laufen bringen. Das Programm ermöglicht dann die Ermittlung der Kräfte im Hüftgelenk. Zusätzlich zu eurem gesunden virtuellen Ich werdet ihr noch eine Hüftprothese virtuell in das Modell implantieren. Mit diesem Modell werdet ihr dann den Einfluss unterschiedlicher Implantationsfehler auf die Kraftverläufe im Hüftgelenk untersuchen.
"Bauteile aus dem Nichts“
Diese Aufgabe wird von der Gruppe Oberflächentechnik vom Laser Zentrum Hannover e.V. gestellt.
Das Thema
„Bauteile aus dem Nichts – Additive Fertigung“
Worum geht es?
Der Traum wird langsam Wirklichkeit: Man erstellt sich ein dreidimensionales Modell am Computer und druckt es dann einfach 3D aus. 3D-Drucker, die euch Modelle aus Kunststoffen ausdrucken, gibt es mittlerweile schon zu kaufen. Was zunächst nach „Spielerei“ aussieht, ist industriell eine Zukunftstechnologie: Additive Fertigung.
Additive Fertigung ist ein Oberbegriff für alle Verfahren mit denen Bauteile aus einzelnen Schichten im so genannten Schichtbauverfahren aufgebaut werden. Der Vorteil ist, dass so verschiedene Bauteile mit wenig Vorbereitungszeit aufgebaut werden können. Der Kreativität sind dabei keine Grenzen gesetzt. Das Backen von Baumkuchen kann auch als Additives Fertigungsverfahren gesehen werden: Es wird im ersten Schritt eine Schicht Teig aufgetragen und im zweiten Schritt gebacken. Dieser Vorgang wird bis zur Fertigstellung des Baumkuchens wiederholt. Der Kuchen ist so im Schichtbauverfahren gebaut.
Die Gruppe Oberflächentechnik im Laser Zentrum Hannover e.V. verwendet das Laser-Pulver-Auftragschweißen als Additives Fertigungsverfahren für die Reparatur von Turbinenschaufeln aus Flugtriebwerken. Über eine Düse wird der Werkstoff auf die zu reparierende Stelle aufgebracht und mit dem Laserstrahl verschmolzen (siehe Bild oben). Die entstehend einzelnen Bahnen stellen so die Kontur der Schaufel wieder her. Turbinenschaufeln haben eine sehr filigrane Geometrie, so dass es manchmal nicht vermeidbar ist, dass z.B. wichtige Bohrungen zugeschweißt werden. Dafür muss die Turbinenschaufel vor der Reparatur entsprechend vorbereitet werden.
Eure Aufgabe
Zusammen mit Studenten und den wissenschaftlichen Mitarbeitern baut ihr einen 3D-Drucker-Bausatz zum Herstellen von Kunststoffbauteilen auf. Dadurch bekommt ihr erste Erfahrungen mit der Additiven Fertigung und dem Prozess des 3D-Druckens, der dem Laser-Pulver-Auftragschweißen sehr ähnlich ist. Ihr nehmt den Drucker zusammen mit den Wissenschaftlern in Betrieb und fertigt selbstständig von euch erstellte Bauteile. Wenn der Prozess eingestellt ist, werden zusammen mit den Wissenschaftlern Vorrichtungen für das Laserauftragschweißen von Turbinenschaufeln hergestellt um das Zuschweißen von Bohrungen zu verhindern.
Weitere Informationen zum Studiengang des Maschinebaus und zum Laser Zentrum Hannover e.V. findet ihr unter www.maschinenbau.uni-hannover.de und www.lzh.de.
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