purmundus challenge prämiert einzigartige Leistungen im
3D- und 4D-Druck


Zum achten Mal ist am 11. November 2020 der Designpreis im 3D- und 4D-Druck der purmundus challenge im Rahmen der digitalen Formnext Connect verliehen worden. Der Wettbewerb wurde live übertragen und überrascht mit einer neuen Preiskategorie und Partnern. Insgesamt sieben Einreichungen erhielten die begehrten Trophäen in Gold.



Die purmundus challenge 2020 beweist die Krisenresistenz der additiven Fertigung. „In einem herausfordernden Jahr wie 2020, hat sich die Relevanz des 3D- und 4D-Drucks nochmals besonders hervorgehoben. Die AM-Community zieht an einem Strang und schafft es, neben dem sozialen Mehrwert auch im Design neue Wege zu beschreiten“, so Dennis Lang, Kommunikation & PR der purmundus challenge. Die Preisträger fallen besonders durch die breite Branchenstreuung auf. Sie alle haben das diesjährige Thema „Geometrie und Material in Harmonie“ auf ihre eigene Art und Weise interpretiert. „Anwendungen der additiven Fertigung, die einem Ideal folgen, insbesondere den Umweltvorteilen, fallen besonders positiv auf“, ergänzt James Helliwell, hyperTunnel Limited, Jurymitglied der purmundus challenge. Unternehmen, Institute, Universitäten, Designstudios und Start-Ups nutzen den 3D- und 4D-Druck zwischenzeitlich weit über die bisher bekannten Anwendungsfelder hinaus und nehmen sich auch dem Post-Processing intensiv an.

Insgesamt präsentieren die 35 Finalisten vom 10.11. - 31.12.2020 auf der virtuellen Leitmesse Formnext Connect ihre herausragenden Designs. Die digitale Plattform ermöglicht spannende Einblicke in den 3D- und 4D-Druck sowie erstmals die Chance mithilfe der Matchmaking Funktion direkt mit den Designern in Kontakt zu treten.


Die diesjährigen Gewinner sind:


1. Preis: Moorhuhn Fahrradrahmen
HUHN cycles I Ralf Holleis





Die Fahrradindustrie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt, die Fahrräder wurden leichter und steifer, diese großen Erfolge sind hauptsächlich dem Verbundmaterial Kohlefaser zuzuschreiben. Bedauerlicherweise, hat dieses Material einen sehr hohen CO2-Ausstoß, sowohl in der Fertigung der Rohstoffe als auch in der finalen Verarbeitung zu einem Produkt. Ferner haben Kohlenstoffprodukte einen sehr kurzen Produktlebenszyklus, da ein gewisses Sicherheitsrisiko bei der Verwendung gebrauchter Produkte besteht. Leider gibt es fast keine Möglichkeit, dieses Verbundmaterial zu recyceln, so dass Carbonrahmen meistens auf den Müllhalden enden oder verbrannt werden. Metall lässt sich immer rückführen!

Titan ist ein Material, welches das Potential hat, Carbon im Bezug auf Fahrradrahmenbau Konkurrenz zu machen. Die Verarbeitung von Titan ist jedoch nicht ganz einfach, daher ist das Design sehr eingeschränkt. Funktionell fühlen sich Titanrahmen beim fahren, aufgrund ihrer Rohr auf Rohr Schweißverbindungen, viel weicher an als Carbonrahmen.

Das Moorhuhn kombiniert die Vorteile superleichter Titanrohre und verbindet sie mit additiv gefertigten Muffen. Dadurch werden die Überhänge extrem steif, da sie entsprechend der in einem Fahrrad auftretenden Kräften konstruiert werden können, so können Kräfte gleichmäßig verteilt werden. Die Muffen sind superleicht und steif zugleich, da eine Gitterstruktur im Inneren die superdünnen Wände Festigkeit bietet. Des Weiteren ermöglicht es die additive Fertigung jeden Rahmen nach den Bedürfnissen des Fahrers herzustellen, da keine Werkzeuge erforderlich sind. Funktionen wie Kabelführung, Sitzklemmen, Lagergehäuse sowie zusätzliches Schweißmaterial können direkt in die Konstruktion integriert und mitgedruckt werden, die Herstellung und die Arbeit des Rahmenbauers wird so erheblich vereinfacht.

Aber all das ist sehr detailliert und nerdig, um es kurz zusammenzufassen: Additive Fertigung ermöglicht den Bau moderner Titan-Mountainbikes, die so leicht und steif wie Carbonrahmen sind. So kann die Fertigung lokal stattfinden und individuell an den Fahrer angepasst werden. Das wichtigste jedoch ist, dass der Produktionsprozess viel umweltfreundlicher ist und Rahmen sowohl repariert als auch recycelt werden können. Ein modernes Mountainbike sollte nach 2 Jahren nicht mehr auf den Müll geworfen werden, da es nicht sicher ist, es zu reparieren, stattdessen sollte ein hochwertiges Mountainbike Generationen überdauern. Ein Titanrahmen benötigt keine Farbe, da es keine Korrosion gibt, so dass selbst der Endbearbeitungsprozess keine Chemikalien beinhaltet und den Hersteller nicht in gesundheitsgefährdende Situationen zwingt.






2. Preis: exomotion® hand one
HKK Bionics GmbH I Dominik Hepp





Die exomotion® hand one von HKK Bionics ist eine innovative, bionische Handorthese für vollständig gelähmte Hände. Konzipiert als „motorisierter Handschuh“ ermöglicht sie den Patienten das Durchführen alltäglicher Greifaufgaben. Menschen mit vollständig gelähmter Hand konnten bis jetzt nicht versorgt werden, viele trugen sich mit den belastenden Gedanken einer Handamputation. Als erstes Produkt auf dem Markt ermöglicht die exomotion® hand one es Menschen mit vollständiger Lähmung verschiedene Greiffunktionen wieder durchzuführen.

Das Funktionsprinzip: Eine intelligente Software mit zugehörigem Sensor erkennt die Bewegungsabsicht des Trägers über einen noch aktiven Muskel und steuert die leistungsstarken Kleinstantriebe in der Armschiene an. Diese leiten gezielt Kraft in die Betätigungsmechaniken des Handschuhs ein, welche die Finger öffnen, schließen und ihnen so die notwendige Griffkraft bereitstellen. Alle Komponenten werden durch die tragende Armschiene verbunden, die patientenindividuell hergestellt wird.

In Kombination mit einer Bedieneinheit für einfache, intuitive Steuerung und dem leistungsstarken Akku bilden diese Elemente die exomotion® hand one - eine langfristige, alltagstaugliche Lösung, die die o.g. Versorgungslücke schließt. Es stehen verschiedene Griffvarianten zur Verfügung, welche die wichtigsten Anwendungsfälle abbilden, wie z.B. der Faustschluss oder der Pinzettengriff. Die vordefinierten Varianten bestimmen jeweils, welche Finger beim Greifen involviert werden, um einen möglichst funktionellen Griff zu erzeugen. Damit jede Orthese perfekt sitzt und im Alltag ohne Druckstellen getragen werden kann, ist eine patientenindividuelle Herstellung nötig. Die HKK Bionics GmbH arbeitet dafür mit zuvor geschulten Sanitätshäusern zusammen. Diese Zusammenarbeit kombiniert die handwerkliche Verarbeitung medizinischer Silikone mit 3D Scan, automatisierter Konstruktion und Lasersintern. Um ein technisches Produkt auf wirtschaftlichem Weg patientenindividuell herzustellen wurde ein Baukastensystem entwickelt. Dieses enthält standardisierte Teile sowie die individuell und teilautomatisiert konstruierte und im SLS Verfahren hergestellte Armschiene. Gleichzeitig ermöglicht es die additive Fertigung integrierte Aufnahmen für Bauteile, mechatronische Komponenten und Hinterschnitte zu verwirklichen. Damit kann ein Miniaturisierungsgrad erreicht werden, der mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht möglich ist. Größe und Gewicht verringern sich, die Hilfsmittel-Akzeptanz bei den betroffenen Patienten steigt.

Alle Kunststoffteile der Orthese werden dabei im SLS-Lasersinterverfahren aus biokompatiblem PA12 gedruckt und in Patientenwunschfarbe gefärbt. Durch die individuelle Konstruktion und Färbung ist jede Orthese ein Unikat, auch Oberflächencustomizing ist möglich. Erst die seit wenigen Jahren verfügbare Finishing- und Färbetechnik für SLS-Druck ermöglichen es, Produkte wie die exomotion® hand one mit einem hochwertigen und Medizinproduktekonformen Finish herzustellen. Für die Erstellung der Armschiene die auf einem 3D-Scan eines Gipsmodelles des Patientenarmes basiert, wurde eine spezielle, teilautomatisierte Konstruktionssoftware verwirklicht, mit welcher die Konstruktionszeit dieser komplexen, immer individuellen Geometrie auf wenige Stunden reduziert wurde und die gleichzeitig den Reproduzierbarkeitsansprüchen von Medizinprodukten genügt.






3. Preis: ZERO - 3D printed sneakers
Svet Abjo I Zellerfeld Shoe Company Inc.





Was
Dies ist ein voll funktionsfähiger maßgefertigter 3D-gedruckter Schuh, der auf Fuß-Scans basiert. Der gesamte Schuh wurde in einem Durchgang gedruckt, wodurch jegliche Näh- oder Klebevorgänge entfallen. Sohle, Mittelsohle und Obermaterial - alles in einem Druck und aus einem Material.

Warum
Im Jahr 2020 sind Klimawandel und Umwelt eine der größten Sorgen, und ich glaube wirklich, dass der 3D-Druck von Schuhen aus recycelbarem Material eine sehr potenzielle Zukunft hat. Der komplette Schuh besteht aus einem Material - TPU (Shore-Härte 60 A). Die Schuhe könnten eventuell eingeschmolzen und daraus neue Schuhe gedruckt werden. Zudem sind keine traditionellen Schuhleisten erforderlich, da dies direkt im CAD-Modell umgesetzt werden kann.

Post covid Auswirkung
Aufgrund der kürzlich weltweit betroffenen Pandemie haben mehrere Schuhmarken einen enormen Umsatzverlust erlitten. Viele dieser Marken haben eine Lieferkette, die hauptsächlich in Asien und anderen Ländern mit niedrigerer Wirtschaft angesiedelt ist, in denen die Arbeitnehmer für einen niedrigeren Lohn ausgebeutet werden. Das 3D-Drucken von Schuhen könnte vor allem auf lokaler Ebene erfolgen, wodurch die Notwendigkeit einer großen Infrastruktur oder einer Produktionshalle entfällt. Außerdem wird es keine Überproduktion im Vergleich zu traditionellen Herstellungsmethoden geben.











Special Mention: Taktiler Farbkompass
Taktilesdesign GmbH I Sylvia Goldbach I Eric Bahr





Der 1. allgemeingültige Standard der taktilen 3D Oberflächen der Farben für Blinde.

Gestaltung/Design
Der Taktile Farbkompass führt in eine neue Welt der Wahrnehmung. Er leitet seine Nutzer über Landschaften, Bilder sowie Objekten des Alltags. Die Oberflächen des Kompasses sind entstanden im LFS über die Annäherung an die Natur und Assoziationen und Taktilesdesign führt genau beschreibbare Elemente hinzu. Die Anlehnung an den historischen Kompass und den Farbkreis dient der Öffnung von Assoziation auf Führung und Orientierung. Wie in der Natur werden die taktilen Oberflächen von weich zu hart über warme zu kalten Materialien in ihrer Darstellung den Farben gerecht.

Innovationsgrad
Die Welt der Farben ist taktil noch nicht allgemeingültig festgelegt! Das neue Medium der haptischen Erfahrung für Blinde erzeugt eine neue harmonische Empfindung beim Tasten. Textur erhält die Funktion der Kommunikation. Der Kompass bringt die Harmonie in Form von Texturen mit Farben in Einklang und öffnet den Blinden ein neues Medium jenseits von Sprache.

Potenzial additiver gegenüber konventioneller Fertigung
Der Kompass ist mit konventioneller Fertigung nicht möglich zu erstellen. Dieser hohe Anspruch an die Herstellung von unterschiedlichsten Eigenschaften kombiniert mit Farbe in einem Prozess werden erst mit den 3D Druck der neuesten Generation möglich. Der Nutzerkreis rechtfertigt eine weniger hohe Auflage, was der additiven Fertigung unserer möglichst kleinen Teile in optimal ausgenutzten Bauräumen entgegenkommt. Produktionsgerechter Entwurf mit teilweisem memory Effekt und einer Vielzahl an Materialien.

Wirtschaftliches Potenzial
Die Inklusion einer benachteiligten Bevölkerungsgruppe im öffentlichen Raum steht im gesellschaftlichen Interesse. 80% der Blinden sind älter als 50. Tendenz steigend.

Mehr zum Taktilen Farbkompass erfahren Sie im Video: https://youtu.be/gvsf65xsqTs/









Innovation Prize: ANAMOS Herzmodell
ANAMOS UG (haftungsbeschränkt) I Lehrstuhls FAPS, FAU Erlangen-Nürnberg I Wacker Chemie AG I Hannah Riedle I Anna Seufert





Anatomisches Herzmodell für die chirurgische Simulation
Das innovative, additiv aus Silikon gefertigte, anatomische Modell eines menschlichen Herzens eröffnet durch seine realistische Funktionalität und Haptik neue Möglichkeiten in der Simulation chirurgischer Eingriffe. Durch die Substitution der direkten Anwendung am Menschen werden neue Trainings- und Evaluationsumgebungen geschaffen, die zur Steigerung der Effizienz in der medizinischen Aus- und Weiterbildung, der Medizinprodukte-Entwicklung und in der Forschung führen. Im Vergleich zu biologischen Modellen, wie Leichnamen oder Tierkadaver, sind die künstlichen ANAMOS-Modelle immer verfügbar, einfach zu lagern und handzuhaben und können darüber hinaus beliebige Anatomien und Krankheitsbilder darstellen. Das ANAMOS Herzmodell ist durch eine neuartige generische Designmethode aus medizinischen CT-Bilddaten entstanden, welche die realistische Abbildung der Herzkammern, Herzvorhöfe sowie der relevanten umliegenden Gefäße und der Koronararterien ermöglicht. Der Fokus des Modells liegt dabei auf der realitätsgetreuen Funktionalität. Dafür besitzt es einzigartige, konstruierte anatomische Herzklappen sowie durchgehend hohle Gefäßstrukturen. Durch die Additive Fertigung aus Silikon unter Verwendung der ACEO®-Technologie (Wacker Chemie AG, München) lassen sich, bei Erhalt der geometrischen Komplexität, die elastischen Eigenschaften des Herzgewebes abbilden. Die Herzklappen des ANAMOS Herzmodells zeigen so bspw. in unbelastetem Zustand einen kleinen Spalt zwischen ihren Taschen oder Segeln. Bei Kraftaufbringung in Richtung des Blutflusses öffnen sich die elastischen Klappen in Richtung der Herz- oder Gefäßwand. Erfolgt hingegen eine Kraftaufbringung entgegen der Richtung des Blutflusses werden die Klappen oder Segel aneinandergepresst und verschließen den Durchgang. Diese Funktionalität ist nur durch die einmalige Kombination des generischen Konstruktionsansatzes, die Additive Fertigung und die Verwendung des elastischen Silikons möglich und stellt somit ein absolutes Novum dar.

Das Modell kann entsprechend unterschiedlicher Krankheitsbilder konstruktiv adaptiert werden. Die präsentierte Variante zeigt ein Modell der linken Herzhälfte mit einem Atriumseptumdefekt (krankhafte Öffnung zwischen den beiden Herzvorhöfen) und einem Ventrikelseptumdefekt (krankhafte Öffnung zwischen den beiden Herzkammern). Die Einsatzmöglichkeiten in der chirurgischen Simulation erstrecken sich über die intraoperative Navigation, den Ersatz von pathologischen Herzklappen hin zum Verschluss eines Septumdefekts. In einer wissenschaftlichen Studie konnten die notwendige anatomische Nähe und Korrektheit, die Kompatibilität zum ultraschallbasierenden Bildgebenden Verfahren der Echokardiographie sowie die Funktionalität in einer chirurgischen Simulation bestätigt werden.

Entstehungsgeschichte
Das Konzept des Modells entstand in dem kooperativen Forschungsprojekt „Silicone Biomodels“ des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Wacker Chemie AG. Aus diesem Forschungsprojekt ging 2020 das EXIST-Gründerstipendium geförderte Projekt „SofTiss Anatomics“ hervor. Dieses Projekt begleitend wurde im August 2020 die ANAMOS UG (haftungsbeschränkt) für die Entwicklung und den Vertrieb anatomischer 3D-gedruckter Modelle für den medizinischen und medizintechnischen Markt gegründet.






Simulation Driven Design: Bolt it
ETH Zürich I Inspire AG I Gressel I Julian Ferchow I Marcel Schlüssel





Automatisierte Nachbearbeitung von 3D gedruckten Metallteilen - ermöglicht durch das BOLT-IT Konzept
Die BOLT-IT-Konzepte ermöglichen eine automatisierte physische und digitale Nachbearbeitungskette. Im Detail sind BOLT-IT universelle Spannmittel, die im Rahmen des #additivemanufacturing (AM)-Prozesses hergestellt werden. Diese ermöglichen das automatisierte Greifen und Bearbeiten des AM-Teils. Dabei ist die Position vom AM-Teil aus dem CAD bekannt, so dass es keine Referenzierung erfordert. Darüber hinaus ermöglicht das robuste Spannkonzept die Bearbeitung von fünf Seiten. Eine einfache Torsionsentfernung der Spannmittel rundet den Prozess ab. Das zweijährige Projekt wurde im Rahmen einer Forschungs- und Entwicklungszusammenarbeit zwischen Inspire AG, ETH Zürich und Gressel durchgeführt, durch die innosuisse finanziert und von Julian Ferchow (wissenschaftlicher Mitarbeiter der Inspire AG, ETH Zürich) und Marcel Schlüssel (Leiter Technologie bei Gressel) geleitet.

Mehr zu Bolt it erfahren Sie im Video:
https://www.youtube.com/watch?v=i3TioiUHCOE&t=2s/

















Newcomer Prize: Adaptive splint
School of Design Innovation, Victoria University of Wellington I Yejun Fu





Der 3D-Druck hat im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, verschiedene Strukturen mit hoher Genauigkeit und Materialeinsparung zu bauen. Der 4D-Druck fügt der 3D-Drucktechnologie die Zeit als vierte Dimension hinzu. Die Veränderung im Laufe der Zeit ist eine Schlüsseleigenschaft von Produkten, die im 4D-Druck hergestellt werden. Diese Forschung konzentrierte sich auf biobasierte, reaktionsfähige Materialien, um neue Modifikationen zu initiieren sowie den 3D-Druck in den 4D-Druck zu transferieren.

Für die Entwicklung der leistungsstarken, reaktionsfähigen Materialien wurde neben der Erforschung geometrischer Strukturen eine Reihe von Studien durchgeführt, um Produkte zu konfigurieren, die von diesem Transformationsprozess profitieren könnten. Präzedenzfälle im medizinischen Bereich zeigen ein großes Potenzial für die Kombination biobasierter Materialien mit dem 4D-Druck bei der Herstellung hochgradig kundenspezifischer Produkte, die sich an die Form, Bewegung und physiologischen Anforderungen eines menschlichen Körpers anpassen.

Dieses Forschungsprojekt wurde im Zusammenhang mit der Entwicklung von druckfähigen, reaktionsfähigen, biobasierten Polymeren mit dem Ziel initiiert, ein multidisziplinäres Team von Materialwissenschaftlern und Ingenieuren im Rahmen des National Science Challenge (NSC) Portfolio 5 Spearhead-Projektes "Additive manufacturing and 3D or 4D printing of bio-composites" bei der Vermittlung von Fachwissen im Bereich Industriedesign zu unterstützen. https://www.sftichallenge.govt.nz/ourresearch/projects/spearhead/additive-manufacturing-and-3d-and-or-4d-printing-of-bio-composites/

Das Projekt untersuchte die Möglichkeit, den 4D-Druck im Bereich tragbarer medizinischer Produkte einzusetzen, wie zum Beispiel für die Herstellung einer adaptiven Handgelenksschiene für die progressive Rehabilitation. Hier wurden unter anderem Wundheilungsprozesse und damit verbundene Rehabilitationsmethoden wie auch relevante biologische Strukturen als Inspiration für die Konstruktionsgeometrie erforscht, um die erforderliche Funktionalität der Schiene zu bestimmen. Das Design wurde dabei gemeinsam mit Materialwissenschaftlern auf zwei Wege entwickelt. Zunächst wurde das Reaktionsvermögen der neuen experimentellen Polymere getestet, um eine bedruckbare, formverschiebende Schicht der Schiene zu konfigurieren, die sich an die Veränderungen im Handgelenk während des Heilungsprozesses anpasst. Schließlich wurden diese Erkenntnisse in 3D-Modelle für eine adaptive, aus drei Schichten bestehende Schiene überführt, die den Anforderungen der progressiven Rehabilitation entsprechen.

Die Forschung gibt Anlass, die Eigenschaften der neuen Materialien und der damit verbundenen Druckverfahren weiter zu untersuchen, um sowohl die Druck- als auch die Reaktionsfähigkeit zu verbessern. Das Design der Schiene bietet indes eine Fallstudie für potenzielle Anwendungen im breiteren Feld der tragbaren medizinischen Produkte, die sich an die Bedürfnisse des menschlichen Körpers anpassen und aus mehreren Schichten reaktionsfähiger Materialien und verschiedenen Geometrien bestehen.
Für weitere Einzelheiten siehe: https://www.behance.net/gallery/84896425/An-adaptive-splint-Masters-project

Mehr zu Adaptive splint erfahren Sie im Video: https://vimeo.com/356800439/






Public Choice Award: A.I. Bindings

Addition I Saulo Armas I Oriol Massanes I NOW I Nidecker Group

Die Design-Spezialisten für künstliche Intelligenz der Nidecker Group, ADDIT-ION und die innovative Snowboardmarke NOW präsentieren die erste vollständig von Artifical Intelligence entworfene, 3D-gedruckte AI-Snowboardbindung.

Ziel war es, maximale Steifigkeit bei möglichst geringer Masse zu erreichen, um eine reaktionsschnelle, drehfreudige und drehoptimierte Bindung zu schaffen. Hierfür brachte Addit-ion ihr Know-how in den Bereichen KI-Design und 3D-Druck, NOW ihre patentierte Skate Tech Technologie und die Nidecker Gruppe ihr erweitertes Wissen in der Bindungstechnologie ein.

Gemeinsam konzipierte das Team einen Belastungsfall, der die Beanspruchung von Bindungen bei aggressiven Carving Turns simuliert. Anschließend wurde ein kleiner mechanischer Teil der Skate Tech verwendet, um mit Hilfe des generativen Autodesk-Designs die endgültige Form um die Bindung herum zu erzeugen.

Insgesamt wurden Dutzende verschiedener Ergebnisse mit unterschiedlichen Materialien und Technologien verglichen. Nach stundenlanger Simulation und Datenanalyse stand fest, die AI-Snowboardbindung in PA12 zu drucken.

Gesamtgewicht - ~5kg
Gewicht der Snowboardbindung - 1600gr








Hier die diesjährigen Finalisten:



Handout Finalisten:  Finalisten der purmundus challenge 2020 [pdf: 11,0 MB]


Stimmen Sie für Ihren Favoriten ab. Hier geht’s zum Voting:
https://pollunit.com/polls/purmundus_challenge_2020_public_choice_award





Ein besonderer Dank gilt an dieser Stelle unserer Jury und unseren Kooperationspartnern!

Partner 2020


   



   



Jury 2020

Christoph Behling - Christoph Behling Design Ltd.
Prof. Richard Bibb - Loughborough University
Isabelle Fröhlich - Volkswagen AG
Tilla Goldberg - Ippolito Fleitz Group GmbH
James Helliwell - hyperTunnel Limited
Dr. Alexander Hildebrandt - Festo AG & Co. KG
Frank Kleemann - Selbstständiger Industriedesigner
Andreas Pany - Ernst Strassacker GmbH & Co. KG
Prof. Dali Sun - Beijing University of Technology
Graham Tromans - G. P. Tromans Associates
Dr. Clara Usma - Deakin University