Die Zukunft des 3D-Drucks: Trends, die die Branche prägen

Trends in der Entwicklung des 3D-Drucks

(1) Aspekt der Daten

Bei der 3D-Drucktechnologie handelt es sich um einen digital gesteuerten Fertigungsprozess, dessen Datenentwicklungstrends sich in zwei Bereichen widerspiegeln:
Erstens: die Entwicklung der Schichtungsmethoden. Frühe digitale Schichttechniken und Pfadplanung bestimmen direkt die Effizienz und Präzision der nachfolgenden physischen Schichten.

Derzeit wird beim 3D-Druck in erster Linie einfaches planares Slicing verwendet, aber Universitäten wie die University of Dayton und die Stanford University haben Forschungen zur Datenverarbeitung mit Schwerpunkt auf Schichtverfahren durchgeführt und versuchen, vom traditionellen zweidimensionalen planaren Slicing zum konformen Slicing mit gekrümmten Oberflächen überzugehen.

In China wurde dieser Forschungsplan in die "Key Special Projects on Additive Manufacturing and Laser Manufacturing" des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie im Jahr 2018 aufgenommen.

Zweitens: die Diversifizierung der Datenquellen. Die 3D-Modelle für den Druck können durch 3D-Modellierung oder Reverse-Engineering-Methoden gewonnen werden, wobei sogar Daten aus CT-Scans und Digitalkameras für die Modellrekonstruktion verwendet werden, die zunehmend für den 3D-Druck eingesetzt werden. Allerdings gibt es einige Datenverzerrungen, so dass weitere Forschung erforderlich ist.

(2) Materieller Aspekt

Der Fortschritt des 3D-Drucks hängt zunehmend von der Entwicklung der Materialien ab, wobei es zwei wichtige Trends gibt:
Erstens: Materialien für das Tissue Engineering. Auf der Grundlage von vaskulären und zellbeladenen Biomaterialien ist die Konstruktion von lebenden Geweben und Organen die wichtigste Richtung für die Materialentwicklung im 3D-Druck und der am meisten erwartete Anwendungsbereich.

Zweitens, spezielle Funktionsmaterialien. Materialien mit spezifischen elektrischen und magnetischen Eigenschaften, wie Supraleiter und magnetische Speichermedien, sowie Gradientenfunktionsmaterialien stehen ebenfalls im Mittelpunkt der Materialforschung und -entwicklung im 3D-Druck und stellen die Spitzenanwendungen im industriellen Bereich dar.

(3) Struktureller Aspekt

Die mechanische Struktur von 3D-Druckern ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da sie die Präzision, die Effizienz und den Anwendungsbereich bestimmt, wobei es zwei wichtige Entwicklungstrends gibt:
Erstens: Upsizing. Die Begrenzung der Druckgröße war schon immer ein Schwachpunkt von 3D-Druckgeräten.

Eine Vergrößerung der mechanischen Struktur von 3D-Druckern bei gleichzeitiger Beibehaltung der Präzision kann die Gesamtfertigungskapazität erhöhen, eine Modellsegmentierung zur Verbesserung der Druckeffizienz vermeiden und den Anwendungsbereich erheblich erweitern. Eine Analyse der Produktlinien der großen Unternehmen in den letzten Jahren zeigt einen Trend zu größeren Fertigungsgrößen.

Weitere Untersuchungen zeigen, dass die maximale Druckgröße der verschiedenen Arten von 3D-Druckern dieser Unternehmen auf einen Meter beschränkt ist. Einige Unternehmen in China versuchen, großformatige Drucker zu entwickeln und haben bereits positive Reaktionen des Marktes erhalten.

Zweitens: Integration mit traditionellen Fertigungsverfahren. Dazu gehört die effektive und tiefgreifende Integration mit traditionellen Verfahren wie Formen, Gießen, Schmieden und elektrochemischer Präzisionsbearbeitung.

Zu den "Key Special Projects on Additive Manufacturing and Laser Manufacturing" des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie im Jahr 2018 gehörten solche Forschungsprojekte, die darauf abzielen, die Entwicklung des 3D-Drucks in der traditionellen Fertigungsindustrie zu fördern und die Anwendungen des 3D-Drucks selbst zu erweitern.

(4) Fertigungsmodelle

Erstens: das Aufkommen von Modellen der "verteilten Fertigung". Da der 3D-Druck immer kostengünstiger und technologisch zugänglicher wird, tendiert er zu einer weit verbreiteten Akzeptanz, mit dem Potenzial, dass jeder Haushalt einen 3D-Drucker besitzen und nutzen kann, was ihn zu einem Werkzeug und einer Plattform für soziale Innovation, Crowdfunding und Crowdsourcing macht. Dies führt zu einer neuen Form des sozialen Verhaltens und dem Aufkommen der "verteilten Produktion".

Die verteilte Fertigung stellt den gesamten Produktionsprozess neu dar und verändert die Angebots- und Nachfragekette, einschließlich des Verbraucherverhaltens, tiefgreifend.

Zweitens entwickelt sich eine "funktionsorientierte" Designphilosophie. Bei der traditionellen Fertigung, die durch die Komplexität der Teile eingeschränkt war, mussten die Designer Machbarkeit und Kosten berücksichtigen. Das 3D-Druckdesign kann jedoch die Produktkomplexität außer Acht lassen und sich ausschließlich auf die erforderlichen Funktionen konzentrieren, was zur Schaffung von Industrieprodukten führt, die zuvor unvorstellbar waren.

In Zukunft werden sie die Fertigung revolutionieren, insbesondere bei komplexen und präzisen Komponenten in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Schiffbau und der Automobilindustrie.

Die "function-first"-Designphilosophie für den 3D-Druck erweitert die kreativen und innovativen Möglichkeiten für Produktdesigner, die nicht an traditionelle Verfahren und Fertigungsressourcen gebunden sind, und verfolgt eine grenzenlose Gestaltung unter dem Paradigma "Design gleich Produktion" und "Design gleich Produkt".

Daher können optimale strukturelle Entwürfe ohne Rücksicht auf die maschinelle Bearbeitung verwendet werden, was die Fertigungsherausforderungen für hochwertige, komplexe Präzisionskomponenten löst. Aufgrund der hohen Integration von digitalem Design, Fertigung und Analyse im 3D-Druck verkürzt diese Philosophie auch den Entwicklungszyklus neuer Produkte erheblich und senkt die F&E-Kosten, was ein "Design heute, Produkt morgen" ermöglicht.

Drittens wird die "Mikro- und Nanofertigung" stark gefördert. Da sich die Anwendungen des 3D-Drucks von der Makro- auf die Mikro- und Nanofertigung ausweiten, wird diese Form der Fertigung eine wichtige Rolle spielen. Derzeit erfordern mikroelektronische Verfahren zur Herstellung von Sensoren die Herstellung von Gussformen und die Bearbeitung von Wafern, was Investitionen in Milliardenhöhe, wenn nicht gar in zweistelliger Milliardenhöhe, für eine Produktionslinie bedeutet.

Bei kundenspezifischen Sensoren, von denen nur ein paar hundert Stück benötigt werden, ist eine Produktion in kleinem Maßstab aufgrund der enormen Vorabinvestitionen nicht machbar. Der 3D-Druck kann die Anforderungen einer solchen Mikro- und Nanoproduktion voll erfüllen. Forscher der Western University in Kanada haben ein implantierbares Gerät zur Überwachung des Herzzustands von Patienten entwickelt, das mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt wurde.

Dieses kabellose implantierbare System enthält einen Blutdrucksensor und einen Herz-Kreislauf-Druckmonitor (einschließlich eines Stents) bei einem Volumen von nur 2,475 cm³ und einem Gewicht von etwas über 4 Gramm.

(5) Selbst-Evolution

In Zukunft wird sich der 3D-Druck zum 4D- und 5D-Druck weiterentwickeln. Diese Verfahren bauen auf dem 3D-Druck auf und berücksichtigen Veränderungen im Laufe der Zeit, so dass die Modelle nach und nach ihre Form und Funktion ändern können, was zum sogenannten 4D- und 5D-Druck führt.

Erstens ermöglicht der 4D-Druck, dass gedruckte Modelle im Laufe der Zeit ihre Form verändern. Normalerweise ist das Modell beim Druck flach, verformt sich aber allmählich unter dem Einfluss von Temperatur, Magnetfeldern und anderen Umweltfaktoren. Zu den Vorteilen gehören die Vereinfachung des 3D-Druckverfahrens und die einfache Integration der gedruckten Modelle in Geräte.

Zweitens ermöglicht der 5D-Druck, dass die Modelle nach dem Druck sowohl ihre Funktion als auch ihre Form im Laufe der Zeit verändern können. Experimente mit 5D-gedruckten Knochen waren bei Tieren bereits erfolgreich. Wenn diese Technologie ausgereift und weit verbreitet ist, werden ihre gesellschaftlichen Auswirkungen weitaus größer sein als die der intelligenten Fertigung, des 3D-Drucks oder des 4D-Drucks.

(6) Anwendungsperspektiven

Es liegt auf der Hand, dass der 3D-Druck ein größeres Potenzial für Anwendungen bietet, die vollständig personalisiert oder in kleinen Stückzahlen hergestellt werden.

Erstens ist der Bereich der Biomedizin ein Paradebeispiel für personalisierte Anwendungen. Im Jahr 2016 wurde in den Leitlinien zur Förderung der gesunden Entwicklung der pharmazeutischen Industrie, die vom Generalbüro des Staatsrats herausgegeben wurden, die Notwendigkeit hervorgehoben, die Anwendung von Bioprinting-Technologien und Datenchips in implantierbaren Produkten zu fördern.

Der vom Staatsrat veröffentlichte "13. Fünfjahresplan" für die Entwicklung nationaler strategischer Schwellenindustrien unterstreicht den Einsatz der additiven Fertigung (3D-Druck) und anderer neuer Technologien zur Beschleunigung von Innovation und Industrialisierung in der Gewebe- und Organreparatur sowie bei implantierbaren medizinischen Geräten.

Am 9. Februar 2021 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie einen Entwurf des Entwicklungsplans für die Medizintechnikindustrie (2021-2025), der die Entwicklung neuer Produkte im Bereich "3D-Druck und medizinische Gesundheit" fördert. Darin wird die Entwicklung neuer "3D-Druck + medizinische Gesundheit"-Produkte gefördert. Der Plan spricht sich für die Förderung der personalisierten Anpassung von medizinischen Geräten, Rehabilitationsgeräten, Implantaten und Weichteilreparaturen aus und betont die Anwendung der 3D-Drucktechnologie in verschiedenen Bereichen.

Der Plan sieht auch die Anwendung fortschrittlicher Materialien und 3D-Drucktechnologien vor, um die Biokompatibilität und die mechanischen Eigenschaften von Produkten wie Gefäßstents, orthopädischen Implantaten und Zahnimplantaten zu verbessern.

Es unterstützt die sektorübergreifende Zusammenarbeit, indem es herkömmliche medizinische Geräte mit neuen Technologien wie 5G, künstliche Intelligenz, industrielles Internet, Cloud Computing und 3D-Druck verbindet, um die Entwicklung origineller intelligenter medizinischer Geräte zu fördern und intelligente medizinische und Gesundheits-Cloud-Dienste zu unterstützen.

Dies zeigt, dass "3D-Druck und Medizintechnik" in den letzten Jahren aus Sicht der nationalen Politik ein heißes Forschungsthema ist, das große Aufmerksamkeit und Unterstützung erhält und ein immenses Entwicklungspotenzial aufweist. Es spiegelt auch Chinas Engagement für die Gesundheit und das Wohlbefinden seiner Bevölkerung wider.

Zweitens handelt es sich bei der Luft- und Raumfahrt um eine Kleinserienproduktion. Bauteile für die Luft- und Raumfahrt werden in der Regel in kleineren Stückzahlen hergestellt als kommerzielle Produkte, und sie haben in der Regel komplexe Strukturen aus hochfesten, schwer zu verarbeitenden und kostspieligen Legierungen.

Es liegt auf der Hand, dass der 3D-Druck einen erheblichen Einfluss auf diesen Sektor haben wird. Sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene sind die Erwartungen an den 3D-Druck in diesen beiden Bereichen hoch, wie der Forschungsplan "Key Special Projects on Additive Manufacturing and Laser Manufacturing", der im Rahmen des "13.

(7) Grundlegende Wissenschaft

Ausgehend von den Grundprinzipien der additiven Fertigung treibt die theoretische Grundlagenforschung die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie weiter voran. Die folgenden fünf wissenschaftlichen Bereiche gewinnen allmählich die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern im In- und Ausland.

Die erste ist die Untersuchung der starken Nicht-Gleichgewichtsverfestigung in Metallumformung. Die Interaktionszeit zwischen dem Material und der Energiequelle ist während des 3D-Druckprozesses extrem kurz, was zu sofortigen Schmelz- und Erstarrungszyklen führt.

Solche Nicht-Gleichgewichts-Erstarrungsmechanismen können mit den herkömmlichen Gleichgewichts-Erstarrungstheorien nicht vollständig erklärt werden. Daher ist die Aufstellung einer Theorie der Metallerstarrung unter starken Nicht-Gleichgewichtsbedingungen ein wichtiges wissenschaftliches Thema, das im Bereich des 3D-Drucks behandelt werden muss.

Zweitens geht es um die Entwicklung neuer Mechanismen für den 3D-Druck unter extremen Bedingungen. Da das dringende Bedürfnis der Menschheit, den Weltraum zu erforschen, weiter zunimmt, wird die 3D-Drucktechnologie zunehmend im Bereich der Weltraumforschung eingesetzt.

Es besteht sogar der Wunsch, den 3D-Druck im Weltraum zu realisieren. Daher ist die Untersuchung der Mechanismen des 3D-Drucks unter solch extremen Bedingungen sowie der Lebensdauer und der Versagensmechanismen der Komponenten in diesen Einsatzbereichen besonders wichtig.

Der dritte Punkt ist der Mechanismus des 3D-Drucks von Gradientenmaterialien und -strukturen. Der 3D-Druck ist eine Fertigungstechnologie, die Struktur und Funktion integriert und kontinuierliche Gradientenänderungen in Materialzusammensetzung und die Kombination mehrerer Strukturen in ein und demselben Bauteil. Die Realisierung solcher Konstruktionen stellt Herausforderungen an die Material- und Strukturmechanik.

Viertens, der personalisierte 3D-Druck von Geweben und Organen und die Prinzipien der funktionellen Regeneration. Ob es nun darum geht, die Vitalität von Lebewesen während des Herstellungsprozesses aufrechtzuerhalten oder die Mechanismen für die Wiederherstellung von Organfunktionen während ihrer Verwendung zu untersuchen - diese Forschung steckt noch in den Kinderschuhen und erfordert gemeinsame Anstrengungen von Experten und Wissenschaftlern aus verschiedenen Disziplinen und Bereichen.

Fünftens, die Kontrollmechanismen des integrierten 3D-Drucks von Formen und Eigenschaften. Der 3D-Druck geht von der formgesteuerten Fertigung zur integrierten form- und eigenschaftsgesteuerten Fertigung über. Beim Drucken von Metallteilen beispielsweise kann nicht nur die Form der Teile gedruckt werden, sondern auch die komplexen inneren Strukturen können mit hoher Präzision und Festigkeit gesteuert werden, die an die von Schmiedeteilen heranreichen oder diese sogar übertreffen.

In Zukunft könnte das Drucken von Schaufeln für Flugzeugtriebwerke zur Bildung säulenförmiger Kristalle führen, die von den Konstrukteuren in einer vorher festgelegten Richtung gestapelt werden, was letztendlich zu einem Endprodukt mit einer besseren Gesamtleistung im Vergleich zum Schmieden führt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die künftige Rolle des 3D-Drucks erhebliche Veränderungen erfahren wird und sich von einer ergänzenden Form der Fertigung zu einem Rückgrat der intelligenten Fertigung entwickeln wird. Er wird die Fertigungsprozesse neu definieren und die Fachleute dazu veranlassen, die bestehenden Praktiken in diesem Bereich mit Blick auf den 3D-Druck neu zu bewerten.

Auch wenn das Volumen der durch den 3D-Druck hergestellten Teile nicht mit dem des Formenbaus und der CNC-Bearbeitung mithalten kann, könnte der Wert, den er schafft, diese traditionellen Methoden bei weitem übertreffen. Daher sind der Trend und die Anwendungsaussichten für den 3D-Druck sehr vielversprechend.