Derzeit wird die 3D-Drucktechnologie unter anderem in den Bereichen Automobilbau, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Konsumgüter, elektrische und elektronische Geräte, biomedizinische Anwendungen, Kultur- und Kreativschmuck, Bauwesen und Bildung eingesetzt. Laut der globalen Autorität für 3D-Druck-Industrieforschung, dem "Wohlers Report 2020" (der in seinem Bericht die Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen [...]
Derzeit wird die 3D-Drucktechnologie unter anderem in den Bereichen Automobilbau, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Konsumgüter, elektrische und elektronische Geräte, biomedizinische Anwendungen, Kultur- und Kreativschmuck, Bauwesen und Bildung eingesetzt.
Laut der globalen Autorität für 3D-Druck-Industrieforschung, dem "Wohlers Report 2020" (der in seinen Statistiken Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen trennt), ist die Automobilherstellung mit 16,4% der größte Anwendungsbereich für die 3D-Drucktechnologie. Unterhaltungselektronik und Luft- und Raumfahrt folgen dicht dahinter mit 15,4% bzw. 14,7%, wie in Abbildung 1-16 dargestellt.
Die Studie zeigt auch, dass der 3D-Druck vor 2020 in erster Linie für die Herstellung von Modellen verwendet wird, die 24,6% der Anwendungen ausmachen, vor allem für die Designvalidierung und Funktionsprüfung während verschiedener Produktentwicklungsprozesse, was ihn zum größten Markt für den 3D-Druck seit seiner Einführung macht.
Ab 2020 jedoch steigt die direkte Herstellung von Endprodukten mithilfe der 3D-Drucktechnologie auf 30,9%, wie in Abbildung 1-17 dargestellt, und wird damit zur größten Anwendung der 3D-Drucktechnologie. Dies zeigt eine bedeutende Entwicklung des 3D-Drucks vom Rapid Prototyping zur direkten Herstellung von Endprodukten.
Die Wirtschaftswissenschaftlerin Carlota Perez geht davon aus, dass jede technologiegetriebene industrielle Zyklusrevolution etwa 60 Jahre dauert, wobei die ersten 30 Jahre die Erfindungsphase der grundlegenden Technologie und die letzten 30 Jahre die Phase der beschleunigten Technologieanwendung sind. Seit der Gründung von 3D Systems, dem ersten Unternehmen, das 1986 in den Vereinigten Staaten 3D-Druckgeräte herstellte, markiert das Jahr 2021 den Beginn der letzten 30 Jahre.
Daher wird erwartet, dass sich die Anwendung der 3D-Drucktechnologie beschleunigen, einen größeren Anwendungswert freisetzen und die damit verbundenen Branchen tiefgreifend verändern wird. In diesem Abschnitt werden typische Anwendungen der 3D-Drucktechnologie in den Bereichen Biomedizin, Luft- und Raumfahrt und industrielle Produktion vorgestellt und anschließend die Grenzen und Risiken künftiger Anwendungen des 3D-Drucks erörtert.
Ausgehend von den Anwendungsszenarien umfasst die derzeitige Nutzung des 3D-Drucks in der Biomedizin vor allem präoperative Planungsmodelle, chirurgische Hilfsmittel, Implantate und medizinische Hilfsmittel. Darüber hinaus stellt das Bioprinting für die regenerative Medizin und gewebeähnliche Organe die Grenze der biomedizintechnischen Forschung dar und ist die Hauptrichtung für die zukünftige Entwicklung und Anwendung des 3D-Drucks in der Biomedizin.
Bei präoperativen Planungsmodellen werden die CT-Bilddaten eines Patienten mit Hilfe der Rekonstruktionstechnologie in ein dreidimensionales Modell umgewandelt, das dann im 3D-Druckverfahren materialisiert wird. Diese Modelle ermöglichen eine dreidimensionale Visualisierung der Pathologie und lösen die Probleme, die beim Verständnis und der Auswertung zweidimensionaler Schnittbilder auftreten.
Sie liefern den Ärzten intuitive und präzise Informationen über den Ort der Erkrankung, die räumliche anatomische Struktur, die Form und das Volumen und helfen so bei der Formulierung komplexer chirurgischer Pläne, bei präoperativen Proben und bei der Bewertung der postoperativen Ergebnisse, wodurch die Genauigkeit und Sicherheit von Operationen erheblich verbessert wird.
Mit den neuesten 3D-Drucktechnologien können jetzt Materialien hergestellt werden, die weiche und harte Texturen miteinander verbinden, was chirurgische Schnitte erleichtert und das taktile Erlebnis für Chirurgen verbessert. Dies kommt auch der Ausbildung und Verbesserung der Fähigkeiten junger medizinischer Fachkräfte zugute.
Zusammenfassung der Krankengeschichte: Eine 40-jährige Patientin litt seit mehr als zwei Monaten unter anhaltenden Kopfschmerzen, begleitet von Sehstörungen. Bei der Untersuchung wurde ein Hirntumor festgestellt, der von intrakraniellen Arterien umgeben war, was eine Operation nahelegte, die allerdings mit einem hohen Risiko verbunden war.
Das Krankenhaus fügte die CT- und MRT-Bilder des Patienten zusammen (siehe Abbildung 1-18) und führte eine dreidimensionale Rekonstruktion durch, um die intrakranielle Situation des Patienten, einschließlich des Schädels, der Arterien, Venen und des Tumors, genau wiederherzustellen (siehe Abbildung 1-19). Anschließend wurde mit dem WJP-Modell-3D-Drucker von Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd. ein vollfarbiger 3D-Druck des rekonstruierten Schädelmodells erstellt, wie in Abbildung 1-20 dargestellt.
Mithilfe dieses 3D-Modells konnten die Ärzte die Verteilung der Blutgefäße um den Tumor herum deutlich erkennen, was ihnen bei ihren intraoperativen Entscheidungen half. Durch die Identifizierung der Blutgefäße, die vom Tumor umschlossen sind, konnten die Chirurgen den Tumor präzise entfernen und gleichzeitig wichtige Gefäßstrukturen schützen.
Nach einer 11-stündigen Operation wurde das Meningeom des Patienten im Sattelbereich des Gehirns erfolgreich in Segmenten entfernt, wobei die umgebenden bilateralen vorderen Hirnarterien, mittleren Arterien und inneren Karotisarterien intakt blieben. Die Operation war ein enormer Erfolg.
Zusammenfassung der Patientengeschichte: Bei einer 56-jährigen Patientin wurde ein bösartiger Lebertumor und eine Leberzirrhose diagnostiziert. Eine normale menschliche Leber hat einen Umfang von etwa 1500 cm³, die Leber der Patientin hatte jedoch nur 765 cm³ und wies schwere Funktionsstörungen auf. Das Krankenhaus entschied, dass eine Lebertransplantation die einzige wirksame Behandlung sei, und nach einem Abgleich wurde ihr 21-jähriger Sohn als geeigneter Spender gefunden.
Es war von entscheidender Bedeutung, sowohl die Teile der Spender- als auch der Empfängerleber präzise herauszuschneiden und die Blutgefäße und Gallengänge genau anastomosieren zu können, was ein hohes Maß an chirurgischer Erfahrung erforderte. Das Krankenhaus führte eine dreidimensionale Rekonstruktion auf der Grundlage der präoperativen CT-Daten der Lebern der Patientin und ihres Sohnes durch, wie in den Abbildungen 1-21(a) und 1-22(a) dargestellt.
Die rekonstruierten Lebern wurden dann im Maßstab 1:1 mit dem WJP-Modell-3D-Drucker von Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd. gedruckt, wie in den Abbildungen 1-21(b) und 1-22(b) gezeigt, was eine genaue Beurteilung des Ausmaßes der Läsion und der dreidimensionalen räumlichen Beziehung zu den angrenzenden Organen und Geweben sowie die Planung des chirurgischen Zugangs und der Schnittpositionen ermöglichte.
Die Operation war sehr erfolgreich, und das Leben der Mutter konnte dank der Leber ihres Sohnes verlängert werden.
Chirurgische Schablonen, die digital entworfen und im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, sind wichtige Hilfsmittel für die Umsetzung der präoperativen Pläne in die intraoperative Ausführung. Sie können dazu beitragen, Verletzungen wichtiger Blutgefäße und Nerven zu vermeiden, den Blutverlust zu verringern und die chirurgische Sicherheit zu erhöhen.
Zu den Materialien, die üblicherweise für den Druck solcher Produkte verwendet werden, gehören hochpolymeres Nylon und hochfeste, elastische Harze (z. B. Osteotomie-Schablonen, die dem Sägen während der Operation standhalten müssen), transparente Harze mit ausreichender Festigkeit (z. B. Schablonen für Zahnimplantate) sowie Standardharze oder PLA-Materialien für Schablonen, die keine hohe Festigkeit erfordern (z. B. Schablonen für die Neuropunktion im Sakralbereich und für die Punktion von Hirnblutungen).
Mit der 3D-Drucktechnologie können Implantate hergestellt werden, die perfekt auf die individuellen Bedürfnisse zugeschnitten sind und erfolgreich in den Körper implantiert werden können. Diese Implantate können mit kontrollierbaren Mikroporengrößen hergestellt werden, die den Elastizitätsmodul des Implantats verringern können. MetallmaterialSie verringern die Belastung und fördern die Knochenintegration und bieten damit Vorteile, die herkömmliche Implantate nicht bieten können.
Das übliche Material für solche 3D-gedruckten Implantate ist Titan Legierungspulver, wie in den Abbildungen 1-23 und 1-24 dargestellt. Für Implantate, die keine übermäßige Belastung und Reibung erfordern, wie z. B. Zwischenwirbelfusionsvorrichtungen, Schädelknochen und kleine Gelenke wie das Kiefergelenk, erforschen Forscher die Verwendung neuer Materialien wie PEEK (Abbildung 1-25) und Magnesiumlegierungen.
Zusammenfassung der Patientengeschichte: 2014 wurde bei einem 12-jährigen Jungen ein Ewing-Sarkom diagnostiziert, wobei sich die Krebsläsion im Atlaswirbel befand, wie in Abbildung 1-26 dargestellt. Die internationale Standardbehandlung besteht darin, die Lücke, die der herausgeschnittene Atlaswirbel hinterlässt, mit einem Titannetzkäfig zu versorgen, der durch Löcher im Netz in Kombination mit einer Titanplatte und Schrauben an der Vorderseite fixiert wird, um eine Wirbelsäulenversteifung zu erreichen und die Stabilität der Halswirbelsäule wiederherzustellen.
Die Stützkraft und die Kontaktfläche des Titangitters sind jedoch begrenzt, und seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Rotation und verschiedenen Biegekräften ist gering. Das Vorhandensein von "Stress Shielding" führt häufig dazu, dass die an den Netzkäfig angrenzenden Wirbel nach der Operation kollabieren, was es schwierig macht, die Zwischenwirbelhöhe zu erhalten. Außerdem kann die Dicke der Titanplatte dem Patienten Schluckbeschwerden bereiten.
Postoperativ müssen dem Patienten Stifte in den Kopf und das Schulterblatt eingesetzt werden, wobei oben und unten eine Schiene zur Ruhigstellung des Kopfes angebracht wird. In der Ruhephase kann der Kopf das Bett nicht berühren, ein Zustand, der für 3 bis 4 Monate, manchmal sogar bis zu sechs Monaten aufrechterhalten werden muss und dem Patienten große Schmerzen bereitet.
Der Patient wurde von Professor Liu Zhongjun von der Abteilung für Orthopädie am Peking University Third Hospital (PUTH) behandelt und erhielt nach zwei Operationen über einen hinteren und einen vorderen Halswirbel den weltweit ersten 3D-gedruckten Atlaswirbel, wie in Abbildung 1-27 dargestellt. Diese erfolgreiche Operation überwand die Nachteile herkömmlicher Behandlungsmethoden und rettete das Leben des Patienten.
Herkömmliche medizinische Hilfsmittel werden häufig durch Gipsabdruck und thermoplastische Niedrigtemperaturformung hergestellt. Aufgrund der Wasseraufnahme und der Schrumpfungseigenschaften von Gips kann es jedoch zu einer Verformung des Modells kommen, was die Präzision des Werkzeugs beeinträchtigt, und der Herstellungsprozess ist zu sehr von der persönlichen Erfahrung des Technikers abhängig.
Maßgeschneiderte, leichte Rehabilitationshilfen, die mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie auf der Grundlage von Informationen über die Körperoberfläche, die durch optische 3D-Scans gewonnen wurden, in Kombination mit CT- und MRT-Daten des Patienten und computergestütztem, präzisem Design hergestellt werden, entsprechen besser der Ergonomie. Sie können die individuellen Bedürfnisse der Patienten erfüllen und i
Die Abbildung 1-28 zeigt verschiedene Arten von 3D-gedruckten medizinischen Hilfsmitteln zur Verbesserung der postoperativen Genesung oder der nicht-chirurgischen orthopädischen Rehabilitation. Die künftige Entwicklung von 3D-gedruckten personalisierten medizinischen Hilfsmitteln umfasst neue Arten von Prothesen, Hör- und Sprachkompensationshilfen und neuartige Lebenserhaltungssysteme für Behinderte wie Exoskelett-Roboter.
Zu den Materialien, die üblicherweise für den Druck dieser Produkte verwendet werden, gehören hochpolymere Nylonmaterialien (z. B. verschiedene Orthesen mit hervorragender Festigkeit und Elastizität), TPU-Materialien (z. B. verschiedene Arten von biomechanischen Fußkompensatoren) und PLA- oder hochfeste Harzmaterialien (z. B. einige Rehabilitationsfixierungsstützen, die keine übermäßige Kraft erfordern).
Zusammenfassung der Patientengeschichte: 2018 wurde bei einer 14-jährigen Patientin eine Skoliose der Wirbelsäule mit einem Cobb-Winkel von 13° auf dem Ganzkörper-Röntgenbild der Wirbelsäule diagnostiziert, und sie erhielt keine angemessene Behandlung. Bei einer Nachuntersuchung im Januar 2020 zeigte sich eine Vergrößerung des Cobb-Winkels auf 27°. Die Patientin suchte eine Behandlung im 3D-Druckzentrum des Shanghai Ninth People's Hospital, das der Shanghai Jiao Tong University School of Medicine angeschlossen ist.
Sie wurde mit einer 3D-gedruckten Skolioseorthese versorgt, und sechs Monate später war die Wirbelsäule der Patientin vollständig korrigiert. Der Verlauf der Wirbelsäulenskoliose der Patientin ist in Abbildung 1-29 dargestellt.
Das 3D-Druckzentrum erfasste die dreidimensionalen Oberflächendaten des Patientenkörpers mit einem 3D-Bodyscanner (Abbildung 1-30) und kombinierte sie mit Röntgendaten für die computergestützte Konstruktion, wodurch ein vollständig individuelles Skolioseorthesenmodell entstand. Dieses Modell wurde durch 3D-Druck in eine Skolioseorthese umgesetzt, wie in Abbildung 1-31 dargestellt.
Die Skoliose-Orthese war aufgrund ihres vollständig personalisierten Designs und ihrer hohlen Struktur atmungsaktiv und leicht, so dass der Patient sie über 20 Stunden am Tag bequem tragen konnte.
Auf internationaler Ebene wird die kostengünstige, kurzzyklische und leistungsstarke 3D-Druck-Fertigungstechnologie für schwer zu bearbeitende, große und komplexe Metallkomponenten in der Luft- und Raumfahrt erforscht und erprobt. Unternehmen wie Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman und Einrichtungen wie das Los Alamos National Laboratory in den Vereinigten Staaten haben mehr als zwei Jahrzehnte in kontinuierliche Forschung und Entwicklung investiert.
In China haben Teams unter der Leitung des Akademikers Wang Huaming von der Beihang-Universität und des Professors Huang Weidong von der Northwestern Polytechnical University ebenfalls jahrzehntelange kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet und innovative Forschungsergebnisse erzielt.
So war das Team von Akademiemitglied Wang das erste weltweit, das Schlüsseltechnologien für das Laserformverfahren, die Ausrüstung und die Anwendung großer tragender Komponenten aus Titanlegierungen für Flugzeuge entwickelt hat. Es hat das Problem der Formung "großer Komponenten" gelöst und die größten und komplexesten tragenden integralen Komponenten aus Titanlegierungen in Chinas Flugzeugausrüstung hergestellt, deren umfassende mechanische Eigenschaften die von Schmiedeteilen erreichen oder übertreffen.
Die 3D-Drucktechnologie als neuartiges Fertigungsverfahren hat im Bereich der Luft- und Raumfahrt deutliche Vorteile, die sich vor allem in den folgenden Aspekten widerspiegeln:
Für Waffen in der Luft- und Raumfahrt ist die Gewichtsreduzierung ein ewiges Forschungsthema, da sie nicht nur die Beweglichkeit der Fluggeräte während des Fluges erhöht, sondern auch die Nutzlastkapazität steigert, Treibstoff spart und die Flugkosten senkt.
Das Streben nach extremer Gewichtsreduzierung und Zuverlässigkeit in der Luft- und Raumfahrt und bei militärischen Ausrüstungen macht die Herstellung großer, komplexer integraler Strukturen und komplexer Präzisionsbauteile besonders schwierig, was zu einem der Engpässe bei der Entwicklung moderner Luft- und Raumfahrt- und Militärausrüstungen führt.
So werden beispielsweise in neuen Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Triebwerken zunehmend integrale Strukturbauteile verwendet, was zu einer kontinuierlichen Zunahme der Größe und Komplexität der einzelnen Komponenten führt. Darüber hinaus werden immer häufiger Legierungsmaterialien wie Titanlegierungen, hochwarmfeste Legierungen und ultrahochfeste Stähle verwendet, die mit der herkömmlichen Warmumformung und mechanischen Bearbeitung nur sehr schwer zu bearbeiten sind.
Durch die Anwendung der 3D-Technologie können komplexe Bauteilstrukturen optimiert werden, was eine Leichtbauweise bei gleichzeitiger Gewährleistung der Leistungsfähigkeit und damit eine Gewichtsreduzierung ermöglicht. Die Optimierung von Bauteilstrukturen kann auch zu einer möglichst rationellen Spannungsverteilung führen, die das Risiko von Ermüdungsrissen verringert und damit die Lebensdauer erhöht.
Gleichzeitig ist es möglich, die Temperatur durch relativ komplexe interne Strömungskanalstrukturen zu steuern und so eine optimale Kombination aus strukturellem Design und Materialeinsatz zu erreichen.
In der Luft- und Raumfahrtindustrie weisen viele Bauteile, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden hergestellt werden, eine geringe Materialausnutzung auf, die im Allgemeinen 10% nicht übersteigt und manchmal nur 2% bis 5% beträgt. Die erhebliche Materialverschwendung bedeutet, dass die mechanischen Bearbeitungsprozesse komplex und die Produktionszyklen lang sind.
Bei schwer zu bearbeitenden Teilen kann sich der Bearbeitungszyklus erheblich verlängern, was den Herstellungszyklus erheblich verlängert und somit die Herstellungskosten erhöht. Die 3D-Drucktechnologie aus Metall hat als endkonturnahe Technik eine hohe Materialausnutzung und die Herstellungskosten werden nicht durch die innere Komplexität der Teile beeinflusst.
Nimmt man die Herstellung des integral beschaufelten Rotors aus einer Titanlegierung für das Hubgebläse des JSF-Flugzeugs als Beispiel, so würde die herkömmliche "subtraktive" Fertigung mit einem 1500 kg schweren geschmiedeten Rohling beginnen, und nach dem herkömmlichen Fräsen wiegt das endgültige Teil 100 kg, was zu einer Materialausnutzung von nur 6,67% und einem sehr langen Fertigungszyklus führt, wie in Abbildung 1-32 dargestellt. Wird jedoch die 3D-Drucktechnologie eingesetzt, können Materialeinsparungen von bis zu 80% erzielt werden.
Einer der herausragendsten Vorteile der 3D-Drucktechnologie besteht darin, dass sie physische Teile direkt aus den von F&E-Mitarbeitern entworfenen 3D-Modellen herstellen kann, ohne dass eine maschinelle Bearbeitung oder Formen erforderlich sind, was den Herstellungsprozess für leistungsstarke, großformatige Strukturkomponenten erheblich verkürzt.
Bei der Herstellung des Rahmens der Hauptwindschutzscheibe für das chinesische Großflugzeug C919, wie in Abbildung 1-33 dargestellt, setzte das Team von Professor Wang Huaming von der Beihang-Universität eine unabhängig entwickelte 3D-Drucktechnologie für Metall ein. Vom Erhalt der 3D-Modelldaten des Teils bis zur Lieferung des fertigen Teils zum Einbau dauerte es nur 40 Tage und kostete 1,2 Millionen Yuan.
Im Gegensatz dazu würde die Bestellung des Teils im Ausland mindestens 2 Jahre dauern und die Kosten für die Form würden sich auf 13 Millionen Yuan belaufen. Auch für den mittleren Flügelholm des C919, der über 3 Meter lang ist (siehe Abbildung 1-34), wäre bei herkömmlichen Fertigungsmethoden eine Super-Tonnage-Presse zum Schmieden erforderlich, was zeitaufwändig und arbeitsintensiv ist und Rohstoffe verschwendet.
Außerdem gab es damals in China keine Anlagen, mit denen solch große Strukturteile hergestellt werden konnten. Würde man das Teil im Ausland bestellen, würde der Zeitraum von der Bestellung bis zum Einbau mehr als zwei Jahre dauern, was den Fortschritt in der Forschung und Entwicklung des Flugzeugs erheblich behindern und die inländische Produktionsrate des Großflugzeugs beeinträchtigen würde.
Das Team von Professor Huang Weidong von der Northwestern Polytechnical University nutzte unabhängig entwickelte 3D-Metalldruckgeräte und -technologien, um das Teil in etwa einem Monat herzustellen. Nachdem es die Leistungstests von COMAC bestanden hatte, wurde es erfolgreich in den ersten Prototyp des chinesischen Großflugzeugs C919 eingebaut.
In den 1980er und 1990er Jahren hätte die Entwicklung einer neuen Generation von Kampfflugzeugen mit herkömmlichen Fertigungsmethoden mindestens 10-20 Jahre gedauert, wie z. B. die Entwicklung des J-10-Kampfflugzeugs, die fast 10 Jahre dauerte. Durch die Anwendung der 3D-Drucktechnologie konnte China das trägergestützte J-15-Kampfflugzeug in nur drei Jahren auf den Markt bringen und damit direkt in die Matrix der dritten Generation trägergestützter Kampfflugzeuge einsteigen.
Zweifelsohne sorgt die 3D-Drucktechnologie für eine "chinesische Geschwindigkeit" in der Entwicklung der Luftwaffe.
Die Reparatur und Wartung von beschädigten Komponenten in der Luft- und Raumfahrt war schon immer ein wichtiges Thema. Der Einsatz der 3D-Drucktechnologie Laser Engineered Net Shaping (LENS) für die Reparatur von Bauteilen stellt eine neue Methode für die Wartung von Luft- und Raumfahrtausrüstung dar. Wenn beispielsweise bei integrierten Hochleistungsturbinenschaufeln eine Schaufel beschädigt wird, muss der gesamte Turbinenrotor verschrottet werden, was einen direkten wirtschaftlichen Verlust in Millionenhöhe bedeutet.
Aufgrund des schichtweisen Drucks von LENS kann die beschädigte Klinge derzeit als spezielles Substrat betrachtet werden. Durch die Durchführung Laserstrahl-Auftragschweißen Ablagerung auf der lokal beschädigten Stelle kann das Teil sein ursprüngliches Aussehen wiedererlangen und die Leistungsanforderungen des ursprünglichen Materials erfüllen oder sogar übertreffen.
Außerdem sind die negativen Auswirkungen der Reparatur aufgrund der Kontrollierbarkeit des 3D-Druckverfahrens sehr begrenzt. Für die Streitkräfte bedeutet dies, dass wirksame Lösungen vor Ort bereitgestellt werden können, ohne dass ein Ersatzteillager erforderlich ist, was die Effizienz der Reparatur von Teilen erheblich verbessert und die Wartungskosten senkt.
In Zukunft könnte die 3D-Drucktechnologie an vorderster Front auf dem Schlachtfeld eingesetzt werden, um Teile direkt auf dem Schlachtfeld zu drucken und die Zwischenschritte der Herstellung, Verteilung und Lagerung zu eliminieren.
Derzeit hat die US-Marine das Projekt Print the Fleet" initiiert, in dessen Rahmen eine Reihe von Verfahren für den Druck, die Qualifizierung und die Auslieferung von Teilen entwickelt und verschiedene 3D-Drucktechnologien und -materialien für militärische Zwecke evaluiert werden, um das Ziel der Herstellung von Flugzeugteilen auf Marineschiffen auf See zu erreichen.
In Zukunft könnte die 3D-Drucktechnologie auch in Raumstationen eingesetzt werden, um den direkten 3D-Druck von Teilen im Weltraum zu ermöglichen. Im August 2014 transportierte die NASA einen 3D-Drucker, der in einer Vakuumumgebung arbeiten kann, zur Internationalen Raumstation, wo die Astronauten nicht nur Teststücke, sondern auch funktionale Strukturkomponenten druckten.
China führte im Mai 2020 auch sein erstes 3D-Druck-Experiment im Weltraum durch und war das erste Land der Welt, das einen 3D-Druck von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen im Weltraum durchführte (siehe Abbildung 1-35).
Nachfolgend finden Sie drei Beispiele für 3D-Druckanwendungen in der chinesischen Luft- und Raumfahrt.
Am 15. Mai 2021 um 07:18 Uhr trennten sich der Lander "Tianwen-1" und der Orbiter und setzten erfolgreich auf der Marsoberfläche auf, wie in Abbildung 1-36 dargestellt. Anschließend sendete der "Zhurong"-Marsrover erfolgreich Telemetriesignale zurück. Das für die Marslandung verwendete 7500N-Triebwerk mit variablem Schub war die 2.0-Version des für Mondlandungen verwendeten Triebwerks.
Das verbesserte Tianwen-1"-Triebwerk mit variablem Schub in der Version 2.0 (7500N) hatte die gleiche Leistung und den gleichen Schub wie das 7500N-Triebwerk des früheren Chang'e-Mondprojekts, wog aber nur ein Drittel des Gewichts und Volumens und wies eine optimierte und kompaktere Struktur auf, wie in Abbildung 1-37 dargestellt.
Zu diesem Zweck wurde der Rahmen des Andockflansches des Triebwerks erstmals in einem Stück 3D-gedruckt, um Verformungen zu vermeiden, die durch das Entfernen von überschüssigem Material aus massiven Stangen oder Schmiedeteilen entstehen, und um das Gewicht effektiv zu reduzieren.
Am 8. Mai 2020 um 13:49 Uhr landete die Rückkehrkapsel von Chinas bemanntem Raumfahrzeug der neuen Generation, das vom China Aerospace Science and Technology Corporation Space Technology Research Institute entwickelt wurde, erfolgreich in der vorgesehenen Zone auf dem Dongfeng-Landeplatz.
Der erfolgreiche Abschluss der Flugmission des Testträgers markiert einen Prototyp für Chinas neue Generation bemannter Raumfahrzeuge und einen bedeutenden Durchbruch bei einer Reihe neuer Technologien in Bereichen wie Kabinenstruktur, Werkstoffe und Kontrollsysteme.
Einer der wichtigsten technologischen Durchbrüche war der Entwurf und die 3D-Formung eines integrierten Rahmens aus einer Titanlegierung mit einem Durchmesser von 4 m, wodurch Ziele wie Gewichtsreduzierung, Verkürzung des Zyklus und Kostensenkung erreicht wurden. Die erfolgreiche Rückkehr des Testfahrzeugs der neuen Generation bemannter Raumfahrzeuge markierte auch den erfolgreichen Test der integrierten 3D-Drucktechnologie für übergroße Schlüsselkomponenten.
Abbildung 1-38 zeigt die Landungssituation der Rückkehrkapsel des bemannten Raumfahrzeugs der neuen Generation und den überdimensionalen integrierten Rahmen aus einer Titanlegierung, der durch 3D-Druck hergestellt wurde.
Am 21. Mai 2018 wurde der Chang'e-4-Relais-Satellit "Queqiao" im Xichang Satellite Launch Center erfolgreich gestartet. Seine Arbeitsumlaufbahn im tiefen Weltraum wird der Menschheit helfen, die Geheimnisse der anderen Seite des Mondes weiter zu lüften. Aufgrund der begrenzten Startkapazitäten war der Gewichtsindex von "Queqiao" extrem streng. Die Halterung des schrägen Reaktionsrads, eine der schwereren Komponenten des Satelliten, wurde zur Gewichtsreduzierung entwickelt.
Die Topologieoptimierung wurde mit der Inspire-Software von Altair durchgeführt, wodurch sich die Designphilosophie von "Design the Produktstruktur zuerst die Produktleistung zu bestimmen und dann die endgültige Produktstruktur durch Topologieoptimierung zu erhalten", um ein leichtes Design zu erreichen.
Darüber hinaus wurde mit Hilfe des 3D-Drucks von Aluminiumlegierungen die integrale Fertigung durchgeführt, wodurch eine leichte Herstellung erreicht wurde. Abbildung 1-39 zeigt das gedruckte Produkt der Schrägreaktionsradhalterung für den Relaissatelliten "Queqiao" und seine Montage am Satelliten.
Ursprünglich wurde die 3D-Drucktechnologie in der industriellen Produktion vor allem für das Prototyping während der Produktentwicklung eingesetzt, um das Design, die Struktur und die Montage zu prüfen. Vor der Massenproduktion eines neuen Produkts ist es zum Beispiel notwendig, das Produkt zu bewerten, um eventuelle Designprobleme sofort zu erkennen.
Er kann die realen Betriebsbedingungen des Produkts für die Montage, Interferenzprüfungen, Funktionstests sowie Herstellbarkeits- und Montagekontrollen simulieren. Darüber hinaus kann sie für den Formenbau verwendet werden, wo die 3D-Drucktechnologie Urformen für Vakuum- und Feingussteile, Spritzgussformen usw. erstellt.
Diese werden dann mit traditionellen Herstellungsverfahren kombiniert, um Formen für die Massenproduktion herzustellen. Nach mehr als 30 Jahren Entwicklung wird die 3D-Drucktechnologie heute in der Industrie in großem Umfang für die direkte Herstellung von Endteilen, einschließlich des Direktdrucks einiger Formen, eingesetzt. Außerdem können damit Spritzgussformen mit konformer Kühlung gedruckt werden, die erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Spritzgussformen haben.
Bei der herkömmlichen Produktentwicklung und -validierung wird in der Regel die CNC-Bearbeitung eingesetzt, die bei der Bearbeitung komplexer Produkte mit hohlen, ausgehöhlten, hochpräzisen, dünnwandigen oder unregelmäßigen Strukturen ihre Grenzen hat. Selbst wenn die CNC-Bearbeitung einige dieser Teile bearbeiten kann, sind die Kosten sehr hoch, weshalb sie sich eher für strukturell einfache, dicke und schwere Teile eignet.
Der 3D-Druck bietet Vorteile wie hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, einmalige Formgebung und Kosten, die nicht von der Produktkomplexität abhängen. Er wird heute in vielen Branchen zur Designvalidierung, Montageüberprüfung und für Kleinserientests während der Produktentwicklung eingesetzt. Zu den gängigen 3D-Druckmaterialien, die für die Produktentwicklung und -validierung verwendet werden, gehören Photopolymerharze und hochpolymere Nylonmaterialien.
Photopolymere Kunststoffe ergeben Teile mit glatten Oberflächen, aber geringerer Festigkeit, während hochpolymere Nylonmaterialien für Produkte geeignet sind, die eine höhere Festigkeit und Zähigkeit erfordern. Abbildung 1-40 zeigt Bilder von einigen 3D-Druck-Produktentwicklungs- und Validierungsfällen.
Bei herkömmlichen Bearbeitungsmethoden werden für Kunststoffformen in der Regel durchgehende Kühlkanäle verwendet, die für die Kühlung von dünnwandigen oder tiefliegenden Teilen unzureichend sind, wie in Abbildung 1-41(a) dargestellt. Mit der 3D-Drucktechnologie für Metall können Formen mit konformen Kühlkanälen direkt gedruckt werden, wie in Abbildung 1-41(b) gezeigt, wodurch sichergestellt wird, dass es keine blinden Flecken bei der Formkühlung gibt.
Spritzgießwerkzeuge mit konformer Kühlung haben die folgenden klaren Vorteile:
Sie können die Kühleffizienz effektiv verbessern, die Kühlzeit verkürzen und die Effizienz der Einspritzproduktion erhöhen, im Allgemeinen um 20% bis 40%.
② Sie verbessern die Gleichmäßigkeit der Abkühlung, verringern das Verziehen und die Verformung des Produkts und stabilisieren die Abmessungen, wodurch die Produktqualität verbessert wird.
Ein generisches Kunststoffteil eines Kunden wurde mit einem 3D-gedruckten konformen Kühlkern aus Metall hergestellt. Die Zykluszeit der Form wurde von 55 Sekunden auf 43 Sekunden verkürzt, und der Ausstoß stieg von 1.300 Stück pro Tag auf 1.670 Stück pro Tag, was die Produktionseffizienz um 28% verbesserte. Der Tagesumsatz des Teils betrug ursprünglich 39.000 Yuan und stieg nach dem Einsatz des 3D-Drucks auf 50.100 Yuan.
Nach Abzug der Kosten für Einspritzmaterial, Abschreibung und Strom stieg der tägliche Gewinn um 2.100 Yuan. Ein Satz solcher Formen (die 180 Tage im Jahr in Betrieb sind) kann einen zusätzlichen Gewinn von 2.100 x 180 = 378.000 Yuan einbringen. Bei zehn Sätzen kann der Gewinn um 3,78 Millionen Yuan steigen, was eine sehr gute Rendite bedeutet, wie in Tabelle 1-1 dargestellt.
Tabelle 1-1: Vergleich der Produktion vor und nach der Verwendung des 3D-Metalldrucks zur Herstellung von konformen Kühlkernen
| Vergleich Artikel | Traditionell | 3D-Druck | Hinweis |
| Produktionszyklus (Sekunden) | 55 | 43 | |
| Produktion (Stück/Tag) | 1300 | 1670 | Basierend auf 20 Produktionsstunden pro Tag |
| Stückpreis (Yuan) | 30 | 30 | |
| Einnahmen (Yuan/Tag) | 39,000 | 50,100 | Gewinnsteigerung um 2.100 Yuan/Tag |
Die in Abbildung 1-42(a) gezeigte Ventilatorschaufel einer Split-Klimaanlage eines Kunden hatte ursprünglich einen Kern aus Berylliumkupfer im mittleren Teil der Form, wie in Abbildung 1-42(b) dargestellt. Berylliumkupfer hat eine schnelle Wärmeleitung und eine gute Kühlwirkung, aber es ist nicht verschleißfest und hat eine Lebensdauer, die nur ein Viertel der von Stahlteilen beträgt, so dass es nach etwa 30.000 Stück ausgetauscht werden muss, was den Aufwand für die Wartung der Form erhöht.
Später wurde ein 3D-gedruckter Formstahlkern verwendet, wie in Abbildung 1-42(c) dargestellt, der aufgrund des Designs eines angemessenen konformen Kühlwasserkanals mehr als 120.000 Stück produzieren kann und auch die Effizienz der Spritzgussproduktion verbessert. Die Form hat insgesamt 66 Sätze; nach einem Jahr wurden alle durch 3D-gedruckte Formstahlkerne ersetzt, was zu einer Gesamtkosteneinsparung von über 300.000 Yuan führte, wie in Tabelle 1-2 dargestellt.
Tabelle 1-2: Kostenvergleichstabelle für Kernteile aus Berylliumkupfer und 3D-gedruckte Kernteile.
| Typ | Nutzungsdauer | Stückpreis (Yuan) | Jährliche Produktion von Ventilatorblättern (10.000 Stück) | Anzahl der Ersetzungen | Achse Kosten (Yuan) | Maschinist Kosten (Yuan) | Abstimmungskosten (Yuan) | Kumulative Kosten (Yuan) |
| Beryllium-Kupfer-Teile | 30.000 Stück | 400 | 2,200 | 768 | 768 x 400 = 307,200 | 768 x 200 = 153,600 | 768 x 150 = 115,200 | 576,000 |
| 3D-gedruckte Teile | 120.000 Stück | 480 | 2,200 | 192 | 192 x 480 = 92,160 | 192 x 200 = 38,400 | 192 x 150 = 28,800 | 159,360 |
Beim Feinguss, der auch als Präzisionsguss bezeichnet wird, wird häufig Wachsmaterial zur Herstellung der Einwegmodelle verwendet, weshalb er auch als "Wachsausschmelzverfahren" bezeichnet wird. Wachsmodelle für den Feinguss werden häufig im 3D-Druckverfahren hergestellt.
Die Investition Gussproduktion Der Herstellungsprozess eines Schmuckstücks durchläuft die in Abbildung 1-43 dargestellten Schritte: (a) 3D-Designmodell des Produkts; (b) das Wachsmodell wird mit einem 3D-Wachsdrucker gedruckt; (c) der Wachsträger wird aufgelöst; (d) man erhält das fertige Wachsmodell; (e) ein Wachsbaum wird erstellt; (f) der Wachsbaum wird in eine Metallform gelegt; (g) Gips wird gegossen, um die Gipsform zu bilden, und es wird ein Vakuum angelegt; (h) die Gipsform wird bei hohen Temperaturen gebrannt, um das Wachs auszubrennen und eine Gipsnegativform zu erhalten; (i) Metall wird geschmolzen; (j) das Metall wird in die Gipsform gegossen und der Gips wird in Wasser aufgelöst; (k) das Halbfabrikat wird in Salzsäure gewaschen und getrocknet; (l) der Metallschmuckbaum wird zerlegt; (m) es wird geschliffen und poliert; (n) das endgültige Schmuckprodukt wird erhalten.
(a) 3D-Konstruktionsmodell des Produkts
(b) Mit dem 3D-Wachsdrucker gedrucktes Wachsmuster (der weiße Teil ist das Trägermaterial)
(c) Auflösende Wachshalterungen
(d) Erlangung des fertigen Wachsmusters
(e) Wax Tree erstellen
(f) Einsetzen des Wachsbaums in die Metallform
(g) Gießen von Gips zur Bildung von Gipsformen und Anlegen von Vakuum
(h) Backen bei hoher Temperatur im Ofen, um das Wachs auszubrennen und eine Gipsnegativform zu erhalten
(i) Metallschmelzen
(j) Metallgießen in Gipsformen und Auflösen von Gips mit Wasser
(k) Waschen des Halbfertigprodukts mit Salzsäure und Trocknen
(l) Demontage des Metallschmuckbaums
(m) Schleifen und Polieren
(n) Erlangung des endgültigen Schmuckstücks
Beim Sandguss werden Formen und Kerne aus Gusssand (in der Regel Quarzsand) und einem Bindemittel hergestellt, um Metallgussstücke zu produzieren. Dieses traditionelle Verfahren erfordert in der Regel die manuelle oder halbmanuelle Herstellung von Holzmodellen für die Sandformen und Kerne.
Mit der 3D-Drucktechnologie können Sandformen und -kerne jedoch direkt aus den Konstruktionsdaten gedruckt werden, was die Effizienz der Formerstellung erheblich verbessert, die Produktionszyklen verkürzt, die Herstellungskosten senkt und eine höhere Präzision im Vergleich zum herkömmlichen Sandguss bietet. Sie ermöglicht auch das Gießen von Teilen mit dünnen Wänden und komplexen inneren Strukturen.
Im Sandgussverfahren wurde ein dünnwandiges Kupplungsgehäuse mit den Abmessungen 465 mm × 390 mm × 175 mm und einem Gewicht von 7,6 kg hergestellt, das aus einem Ober- und einem Unterteil besteht. Das deutsche Unternehmen Voxeljet verwendete hochwertigen GS09-Sand für den 3D-Druck der Sandform mit extrem dünnen Wänden, wie in Abbildung 1-44(a) dargestellt. Das Teil wurde dann mit einer G-AlSi8Cu3-Legierung gegossen, wie in den Abbildungen 1-44(b) und (c) dargestellt.
Der gesamte Herstellungsprozess dauerte weniger als 5 Tage, und das produzierte Kupplungsgehäuse hatte die gleiche Leistung wie die später in Serie gefertigten Teile, nachdem es die Tests bestanden hatte, was dem Kunden einen erheblichen Zeit- und Kostenvorteil verschaffte.
Der Ansaugkrümmer, der sich zwischen dem Drosselklappengehäuse und den Einlassventilen des Motors befindet, wird als Krümmer bezeichnet, weil sich die Luft nach dem Eintritt durch die Drosselklappe teilt. Der Krümmer muss das Luft-Kraftstoff-Gemisch oder die saubere Luft so gleichmäßig wie möglich auf jeden Zylinder verteilen, was bedeutet, dass die Länge der Gaskanäle im Krümmer so gleich wie möglich sein sollte.
Um den Gasflusswiderstand zu verringern und die Ansaugleistung zu erhöhen, sollten die Innenwände des Ansaugkrümmers glatt sein. Ansaugkrümmer von Rennwagen haben viele Überschneidungsbereiche, die eine Herausforderung für den Sandguss und die anschließende Bearbeitung darstellen. Um die genauen Anforderungen an die Komplexität zu erfüllen, teilte Voxeljet das Modell des Ansaugkrümmers für den 3D-Druck der Sandformen in vier Teile auf, um Verformungsprobleme bei der Montage zu vermeiden.
Die Abmessungen des Verteilers betrugen 854 mm × 606 mm × 212 mm, die gesamte Sandform wog etwa 208 kg (siehe Abbildung 1-45(a)), und die Druckzeit betrug 15 Stunden. Die Aluminiumgusslegierung Der Ansaugkrümmer wog etwa 40,8 kg, wie in Abbildung 1-45(b) dargestellt.
Beim Silikonformen wird aus einem Prototypteil unter Vakuum eine Silikonform hergestellt, in die flüssiges Harz gegossen wird, um das Originalteil nachzubilden. Diese Nachbildungen sind ähnlich leistungsfähig wie spritzgegossene Produkte und können farblich an die Anforderungen des Kunden angepasst werden.
Die Materialien werden im Vakuum- oder Niederdruckverfahren gegossen, wobei das Vakuumgießen hauptsächlich für die Herstellung kleiner bis mittelgroßer Teile, wie Gehäuse von Unterhaltungselektronik, verwendet wird, während das Niederdruckgießen hauptsächlich für große Teile, wie Stoßstangen, eingesetzt wird.
Traditionell wurden Prototypenteile für Silikonformen durch CNC-Bearbeitung hergestellt, wohingegen 3D-gedruckte Prototypen für Silikonformen in der Regel schnell unter Verwendung von Photopolymerharzmaterialien durch das SLA-Verfahren hergestellt werden. Jede Silikonform kann etwa 10-20 Teile produzieren, mit einer Genauigkeit von ±0,2 mm/100 mm, einer minimalen Gussdicke von 0,5 mm, optimal bei 1,5-5 mm, und einer maximalen Gussgröße von etwa 2 Metern.
Der Prozessablauf ist wie folgt:
① Erstellung von Prototypen: Ein Prototyp wird auf der Grundlage der 3D-Daten des Produkts im 3D-Druckverfahren hergestellt.
② Herstellung der Silikonform: Nach der Herstellung des Prototyps wird ein Formrahmen konstruiert, der Prototyp wird fixiert, und es werden Angüsse und Entlüftungslöcher hergestellt. Der Anguss ist der Einlass für das Material und wird auch als "Anschnitt" bezeichnet. Die Größe und Form des Angusses sollte auf der Grundlage der Fließeigenschaften des Materials und der Größe des Teils entworfen werden.
Flüssiges, vakuum-entgastes Silikon wird in die Form gegossen, um das Produkt vollständig zu bedecken. Die Form wird dann gebacken, um die Aushärtung des Silikons zu beschleunigen. Nach 8 Stunden wird die Silikonform aufgeschnitten, um zwei Hälften zu bilden, der Prototyp wird entfernt, und die Herstellung der Silikonform ist abgeschlossen.
③ Vakuumgießen: Nach dem Schließen der Silikonform wird diese in eine Vakuumgießmaschine gestellt, wo die Luft evakuiert oder eine Unterdruckumgebung geschaffen wird, und dann wird das Material eingespritzt.
Nach dem Füllen wird das Material 30-60 Minuten lang bei einer konstanten Temperatur von 60-70 °C ausgehärtet und dann entformt. Falls erforderlich, erfolgt eine zweite Aushärtung für 2-3 Stunden bei 70-80 °C. Nach dem Aushärten des Materials wird die Form entfernt, geöffnet und das nachgebildete Produkt erhalten. Dieser Zyklus wird wiederholt, um kleine Chargen von Replikaten herzustellen.
Die Silikonformtechnik ist schneller, kostengünstiger und hat kürzere Produktionszyklen als die Spritzgusstechnik, was die Entwicklungskosten und die F&E-Zeiten erheblich reduziert.
Es wird häufig bei der Entwicklung und Konstruktion von Automobilteilen verwendet, um kleine Serien von Kunststoffteilen für Leistungstests und Fahrversuche herzustellen, wie z. B. Klimaanlagengehäuse, Stoßfänger, Luftkanäle, gekapselte Entlüftungsöffnungen, Ansaugkrümmer, Mittelkonsolen und Armaturenbretter. Abbildung 1-46 zeigt zwei Beispiele für Silikonformen und nachgebildete Teile, die mit 3D-gedruckten Prototypen hergestellt wurden.
Die 3D-Drucktechnologie wird zunehmend für die direkte Herstellung von Endverbrauchsteilen oder -produkten in verschiedenen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Militär, Medizin, Automobilbau, Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik eingesetzt. In der Automobilbranche experimentieren Forscher und Unternehmen kontinuierlich mit der direkten Herstellung von Teilen und sogar ganzen Fahrzeugen mittels 3D-Druck.
Die Ford Motor Company beispielsweise betreibt fast 100 verschiedene 3D-Drucker in mehr als 30 Fabriken weltweit und investiert seit Jahrzehnten in diese Technologie. Ford nutzt den 3D-Druck nicht nur für die Entwicklung und Überprüfung, sondern auch für die Produktion der endgültigen Teile und Werkzeuge.
Auch andere Automobilriesen wie Mercedes, BMW, Audi, Volkswagen, Toyota, Cadillac, Tesla, Ferrari, Lamborghini und Porsche setzen den 3D-Druck bei der Entwicklung und Herstellung ihrer Fahrzeuge ein.
Leichtbau ist ein weltweiter Trend in der Automobilindustrie, und das Streben nach leichteren Fahrzeugen wird in Zukunft noch extremer werden. Der Leichtbau in der Automobilindustrie zielt darauf ab, das Fahrzeuggewicht deutlich zu reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit und Sicherheit zu gewährleisten, die Leistung und Reichweite zu erhöhen, den Kraftstoffverbrauch zu senken, die Abgasbelastung zu verringern und sogar das Fahrverhalten und die Sicherheit des Fahrzeugs zu verbessern.
3D-gedruckte Kfz-Teile aus Metall sind 40-80% leichter als herkömmliche Teile, was die CO2-Emissionen um 16,97 g/km senken kann. Einige Leichtbauteile weisen komplexe interne Gitterstrukturen auf, die das Gewicht reduzieren und gleichzeitig die Leistung erhöhen.
Der Leichtbau umfasst Material-, Konstruktions- und Prozessaspekte, wie die Verwendung von hochfestem Stahl, Titanlegierungen und AluminiumlegierungenOptimierung von Struktur-, Integrations- und Topologiedesigns sowie Einsatz fortschrittlicher Fertigungsverfahren zur Verbesserung der Teileleistung und Gewichtsreduzierung.
Mit der Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie können immer mehr Autoteile direkt hergestellt und verwendet werden, und der 3D-Druck steht kurz davor, eine neue Welle von Verbesserungen in der Automobilbranche auszulösen.
Die BMW Group war stets ein Vorreiter bei der Einführung der 3D-Drucktechnologie in der Automobilindustrie. Der BMW i8 Roadster nutzt die 3D-Drucktechnologie zur Herstellung einer Metallhalterung für das Cabrioverdeck, die direkt in der Massenproduktion eingesetzt wird, wie in Abbildung 1-47(a) dargestellt.
Diese 3D-gedruckte Metallhalterung verbindet den Verdeckbezug mit dem Federscharnier und erleichtert das Auf- und Zuklappen des Verdecks, ohne dass zusätzliche geräuschdämpfende Maßnahmen wie Gummidämpfer oder stärkere (und schwerere) Federn und Antriebseinheiten erforderlich sind. Die Halterung muss das gesamte Gewicht des Verdecks heben, schieben und ziehen und benötigt eine komplexe Geometrie, die durch Gießen nicht zu erreichen ist.
Das endgültige Design ergab eine leichte Gitterstruktur mit 3D-Drucktechnologie aus Metall, die das Dach optimal stützt und gleichzeitig die Verschiebung minimiert, um zu verhindern, dass die Abdeckung beim Öffnen zusammenbricht (siehe Abbildung 1-47(b)). Diese 3D-gedruckte Halterung wurde mit dem Altair Enlighten Award 2018 ausgezeichnet, mit dem bedeutende Fortschritte in der Leichtbautechnologie gewürdigt werden, und erregte bei der Preisverleihung große Aufmerksamkeit für sein innovatives Design.
Ein weiteres 3D-gedrucktes Endanwendungsteil, das direkt im BMW i8 Roadster verwendet wird, ist die Fensterführungsschiene, wie in Abbildung 1-48 dargestellt. Dank des 3D-Drucks von Nylon konnte die Führungsschiene in nur fünf Tagen entwickelt und in die Massenproduktion überführt werden. Innerhalb von 24 Stunden konnten über 100 Fensterführungsschienen hergestellt werden. Das Teil wird in die Türen des BMW i8 Roadster eingebaut und sorgt dafür, dass die Fenster reibungslos funktionieren.
Aus den öffentlich zugänglichen Produktionsdaten von BMW geht hervor, dass das Gewicht des BMW i8 Roadster im Jahr 2018 um 44% reduziert wurde. Das Unternehmen hat bis heute über eine Million Teile im 3D-Druckverfahren hergestellt. Allein im Jahr 2018 hat das 3D-Druck-Produktionszentrum der BMW Group mehr als 200.000 Teile produziert, was einer Steigerung von 42% gegenüber dem Vorjahr entspricht.
Der Bugatti Chiron beschleunigt in nur 42 Sekunden von 0 auf 400 km/h und stößt damit an die Grenzen der Physik. Der Erfolg von Bugatti beruht auf der kontinuierlichen Optimierung der Systeme und der erfolgreichen Anwendung neuer Materialien und Verfahren. So sind die Bremsen des neuen Chiron mit acht bzw. sechs Kolben im vorderen und hinteren Bremssattel die leistungsstärksten der Welt.
Bisher waren die Bremssättel des Bugatti Chiron aus einer hochfesten Aluminiumlegierung gefertigt und wogen 4,9 kg. Die neuen Bremssättel wurden nach den Prinzipien der Biomimikry strukturell optimiert und aus einer Titanlegierung in Luft- und Raumfahrtqualität 3D-gedruckt. Sie wiegen nur noch 2,9 kg, was einer Gewichtsreduzierung von 40% entspricht, wie in Abbildung 1-49 dargestellt.
Die Entwicklung der neuen Bremssättel verlief unglaublich schnell: Vom ersten Konzept bis zum ersten gedruckten Bauteil vergingen nur drei Monate. Der zeitaufwändigste Teil war die Simulation und Optimierung der Festigkeit und Steifigkeit des neuen Designs, gefolgt von einer Simulation des Druckvorgangs, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.
Der Messschieber misst 41 cm in der Länge, 21 cm in der Breite und 13,6 cm in der Höhe. Er wurde mit einem Vier-Laser-Schmelzsystem gedruckt und benötigte 45 Stunden für den Druck. Nach dem Druck wurden das Teil und die Grundplatte bei 700 °C in einer Wärmebehandlungsanlage Glühen und mit dem Ofen abkühlen lassen, um Eigenspannungen zu beseitigen und die Dimensionsstabilität zu gewährleisten - ein Prozess, der 10 Stunden dauerte.
Das Teil wurde dann durch Drahtschneiden entfernt, Stützen wurden entfernt, und das Teil wurde mit einer Kombination aus physikalischen und chemischen Methoden geschliffen und poliert, um es zu verbessern. Ermüdungsfestigkeit und erhöhen die langfristige Haltbarkeit während der späteren Nutzung des Fahrzeugs. Schließlich wurde die Gewindebearbeitung (zur Verbindung der Kolben) auf einer Fräsmaschine durchgeführt, wofür 11 Stunden benötigt wurden.
Die 3D-Drucktechnologie hat während ihrer Verbreitung zwar starke Anwendungsvorteile gezeigt, ist aber auch mit zahlreichen Einschränkungen und Risiken verbunden. Nur wenn diese Probleme klar verstanden, gelöst oder vermieden werden, kann der 3D-Druck seine Vorteile in vollem Umfang nutzen und seinen Anwendungsbereich und seine Domänen weiter ausbauen.
Die meisten 3D-Drucker weisen derzeit die folgenden Hauptprobleme auf: Erstens sind die Geräte klein und haben in der Regel Druckabmessungen von etwa 400mm×400mm×40mm, und nur wenige übersteigen 1000mm. Zweitens ist die Effizienz relativ gering, mit langen Druckzeiten für die Teile und hohen Kosten. Drittens, Oberflächenrauhigkeit und die Maßhaltigkeit sind noch nicht ideal.
So kann beim Präzisionsguss eine Oberflächenrauheit von mehr als Ra3,2μm und sogar weniger als Ra1,6μm erreicht werden, während der beste Wert für lasergedruckte 3D-Metallteile derzeit bei Ra6,4μm liegt, im Allgemeinen über Ra10μm, und beim 3D-Pulverbettdruck mit Elektronenstrahl liegt die Oberflächenrauheit bei Ra20-30μm.
Viertens sind die Materialien begrenzt; jeder 3D-Druckverfahrenstyp ist auf eine sehr begrenzte Anzahl oder Art von Materialien beschränkt und kann die Anforderungen einiger Bereiche nicht erfüllen.
Tabelle 1-3 enthält die wichtigsten in- und ausländischen Hersteller von SLM-Anlagen und deren Parameter.
| Unternehmen/Schule | Typische Ausrüstungsmodelle | Laser-Typ | Leistung/W | Umschlag bauen/mm | Strahldurchmesser/μm |
| EOS | M280 | Faser | 200/400 | 250×250×325 | 100~500 |
| Renishaw | AM250 | Faser | 200/400 | 250×250×300 | 70~200 |
| Konzept | M2 cusing | Faser | 200/400 | 250×250×280 | 50~200 |
| SLM-Lösungen | SLM 500HL | Faser | 200/500 | 280×280×350 | 70~200 |
| Technische Universität Südchina | Dmetal-240 | Halbleiter | 200 | 240×240×250 | 70~150 |
| Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie | HRPM-1 | YAG | 150 | 250×250×400 | Ungefähr 150 |
Arbeitnehmer, die 3D-Metalldrucker bedienen oder Nachbearbeitungen vornehmen, kommen in der Regel mit Metallpulvern in Kontakt, die weniger als 100 Mikrometer groß sind. Diese feinen Partikel können leicht in die Lunge oder die Schleimhäute eindringen und Atemwegs- oder neurologische Schäden verursachen. Das Tragen von Schutzkleidung und Gasmasken ist unerlässlich, um diese Risiken zu minimieren.
Außerdem werden für den 3D-Druck von Metallen häufig Inertgase wie Argon oder Stickstoff benötigt, um eine Oxidation während der Verarbeitung zu verhindern. Wenn diese Inertgase austreten, stellen sie ein großes Risiko dar, da sie vom menschlichen Körper nicht erkannt werden und vom Opfer unbemerkt eingeatmet werden können. Die Luft, die wir atmen, enthält 21% Sauerstoff; ein Abfall unter 19,5% aufgrund eines Lecks kann zu Sauerstoffmangel und Schäden führen.
Dies ist vor allem in geschlossenen Räumen wahrscheinlich, daher müssen sich die Benutzer von 3D-Metalldruckern dieser potenziellen Gefahr bewusst sein und vorbeugende Maßnahmen ergreifen.
In 3D-Druckwerkstätten für Metalle kann sich das in der Luft befindliche Pulver von Metallen wie Titan, Aluminium und Magnesium konzentrieren und, wenn es auf eine Zündquelle trifft, brennen oder sogar explodieren. Je feiner das Pulver ist, desto anfälliger ist es für Verbrennungen. Daher müssen bei der Lagerung, Verarbeitung und Nachbearbeitung von Metallpulvern Zündquellen und statische Elektrizität vermieden werden.
Außerdem kann verschüttetes Pulver ein Umweltrisiko darstellen. Im Jahr 2014 meldete die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) in den Vereinigten Staaten einen Sicherheitsvorfall, bei dem eine 3D-Metalldruckerei es versäumt hatte, eine angemessene Feuerlöschausrüstung bereitzustellen, was zu Verbrennungen bei einem Bediener führte. Obwohl der Brand auf eine unsachgemäße Handhabung der Ausrüstung zurückzuführen ist, dient der Vorfall dennoch als wichtige Sicherheitserinnerung.
Die 3D-Drucktechnologie treibt zwar den technologischen Fortschritt voran und bietet Komfort, birgt aber auch Risiken in verschiedenen Anwendungen, die besondere Aufmerksamkeit verdienen.
So können beispielsweise 3D-gedruckte Schusswaffen Risiken für die persönliche Sicherheit und die öffentliche Ordnung darstellen; 3D-gedruckte Medikamente können Risiken für die Drogenkontrolle und die Gesundheit darstellen; 3D-gedruckte Waren können Marken, Urheberrechte und geistige Eigentumsrechte verletzen, und selbst der 3D-Druck kann Risiken für die persönliche Informationssicherheit, die Sicherheit von Eigentum und ethische Normen mit sich bringen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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