Stellen Sie sich vor, Sie könnten alles, was Sie wollen, Schicht für Schicht direkt an Ihrem Schreibtisch erstellen. Willkommen in der Welt des 3D-Drucks! Diese revolutionäre Technologie, die auch als additive Fertigung bezeichnet wird, baut Objekte auf, indem sie Schicht für Schicht Material hinzufügt und so die traditionellen Methoden des Ausschneidens aus einem festen Block umgeht. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Funktionsweise des 3D-Drucks, seine verschiedenen Methoden und seine unglaublichen Anwendungen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin und Fertigung. Entdecken Sie, wie der 3D-Druck die Zukunft von Produktion und Design verändert.
Die additive Fertigung (AM), allgemein bekannt als 3D-Drucktechnologie, ist eine Rapid-Prototyping-Technologie, die sich von der traditionellen materialreduzierenden Fertigung unterscheidet.
Durch digitales dreidimensionales Scannen und schichtweises Bearbeiten des Modells mit Hilfe digitaler Fertigungsanlagen, die Druckern ähneln, werden die Materialien kontinuierlich übereinander gelegt, um das gewünschte Volumenmodell zu bilden.
Flussdiagramm der additiven Fertigung:
Die 3D-Drucktechnologie wurde erstmals 1986 von Charles Hull mit dem Verfahren der Stereolithografie (SLA) entwickelt. Später folgten Technologien wie das selektive Lasersintern (SLS), das selektive Laserschmelzen (SLM) und die Mikrostrahl-Bonding-Technologie (3DP).
Seit dem Beginn des 21. Jahrhunderts hat die 3D-Drucktechnologie neue Durchbrüche und Entwicklungen erfahren, und viele kleine Technologien, die den Bedürfnissen bestimmter Branchen entsprechen, sind unter der Unterteilung der großen Technologien entstanden.
Zum Beispiel SLA-Technologie: digitale Lichtverarbeitung (DLP), Mehrfachstrahltechnologie (Ployjet), SLM-Technologie: direkte Metalllaser Sintern (DMLS).
Gegenwärtig findet es breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik, im Bauwesen, in der Automobilindustrie, im Energiesektor, im Schmuckdesign und in anderen Bereichen.
Die Zeitschrift Time listet die additive Fertigung als "die 10 am schnellsten wachsenden Branchen in den Vereinigten Staaten" auf.
Die britische Zeitschrift Economist ist der Ansicht, dass sie "zusammen mit anderen digitalen Produktionsmethoden die Verwirklichung der dritten industriellen Revolution vorantreiben", die künftige Produktions- und Lebensweise verändern, die Art und Weise der Herstellung von Gütern ändern, die Weltwirtschaft verändern und schließlich das menschliche Leben verändern wird.
Technische Systemanalyse der früheren industriellen Revolutionen
| Industrielle Revolution | Eigenschaften | Theoretische Grundlage | Energie-/Leistungseinheit | Paradigma der Fertigung | Paradigma der Fertigung |
| Die erste industrielle Revolution (1750-1850) | Mechanisierung | Dampfmaschine | Herstellung von ursprünglich gleichem Material und Herstellung von reduziertem Material | Produktion mit einer Maschine | |
| Die zweite industrielle Revolution (1850-1950) | Elektrifizierung | Mechanische Reduktionstheorie auf der Grundlage von Sicherheit und Standardisierung | Petrochemie Energie / Verbrennungsmotor, Motor | Moderne reduzierte und materialgleiche Fertigung | Massenproduktion am Fließband |
| Die dritte industrielle Revolution (1950-2020) | Digitalisierung | Kybernetik + Systemtheorie | Strahlkraft, Kernkraft | Moderne reduzierte und materialgleiche Fertigung | Computergestützte automatische Produktion |
| Die vierte industrielle Revolution (2020-2080?) | Intellektualisierung | System + Kybernetik + Informationstheorie | Erneuerbare Energie / Kraftwerk auf der Grundlage der kontrollierten Kernfusion | Prozessintegration auf der Grundlage der additiven Fertigung | Intelligente Fabrik auf Basis des industriellen Internets |
Im Vergleich zur traditionellen Fertigungstechnologie (materialreduzierte Fertigung) müssen beim 3D-Druck keine Formen im Voraus angefertigt werden, es wird eine große Menge an Material während des Fertigungsprozesses entfernt und das Endprodukt wird ohne komplizierte Schmiedeprozesse hergestellt.
Es hat die Merkmale "Beseitigung von Schimmelpilzen, Reduzierung von Abfallstoffen und Verringerung des Lagerbestands".
In der Produktion kann es die Struktur optimieren, Material und Energie sparen und die Fertigungseffizienz erheblich verbessern.
Diese Technologie eignet sich für die Entwicklung neuer Produkte, für schnelle Einzelstück- und Kleinserienteile Herstellung, Herstellung komplexer Formteile, Entwurf und Herstellung von Formen usw.
Gleichzeitig ist es auch für die Herstellung von schwer zu verarbeitenden Materialien, die Prüfung des Formdesigns, die Montageprüfung und das Rapid Reverse Engineering geeignet.
Erfindungszeitpunkt von 3D-Drucktechnologien und wichtigste Unternehmen
| SLA | Erfinder: Charles Hull (1984) Marktbeherrschendes Unternehmen: Amerika 3D-Systeme, Liantai-Technologie |
| LOM | Erfinder: Michael Feygin(1986) Beherrschendes Unternehmen: America Helisys |
| FDM | Erfinder: Scott Crump(1988) Marktbeherrschendes Unternehmen: Amerika Stratasys/3Dsystems |
| SLS | Erfinder: C.R. Dechard (1989) Marktbeherrschendes Unternehmen: America 3DSystems, Huashu high tech |
| 3DP | Erfinder: Emanual Sachs(1993) Beherrschendes Unternehmen: America Zcorporation |
| SLM | Erfinder: Dieter Schwarze(1995) Beherrschendes Unternehmen: Deutsche SLM-Lösung, bolite |
| EBM | Erfinder: Arcam AB (1997) Beherrschendes Unternehmen: Schweden Arcam AB |
| Polyjet3D | Erfinder: Objet(2000) Marktbeherrschendes Unternehmen: Israel3D-Systeme |
Das additive Fertigungsverfahren umfasst hauptsächlich zwei Prozesse: dreidimensionales Design und schichtweises Drucken.
Zunächst wird die Computermodellierungssoftware für die Modellierung verwendet, und dann wird das erstellte dreidimensionale Modell in schichtweise Abschnitte unterteilt, um den Drucker anzuleiten, Schicht für Schicht zu drucken.
Das Standarddateiformat für die Zusammenarbeit zwischen Design-Software und Drucker ist das STL-Dateiformat.
Eine STL-Datei verwendet dreieckige Flächen zur Annäherung an die Oberfläche eines Objekts.
Je kleiner die dreieckige Fläche ist, desto höher ist die Auflösung der erzeugten Oberfläche.
PLY ist ein Scanner, der durch Scannen erzeugte dreidimensionale Dateien einscannt.
Die von PLY erzeugten VRML- oder WRL-Dateien werden häufig als Eingabedateien für den Vollfarbdruck verwendet.
Der Drucker liest die Querschnittsinformationen im Dokument, druckt diese Querschnitte Schicht für Schicht mit flüssigen, pulver- oder blattförmigen Materialien und verbindet dann die Querschnitte jeder Schicht auf verschiedene Weise zu einem Ganzen, aus dem Artikel beliebiger Form entstehen können.
Druckarbeitsdiagramm einer additiven Fertigungsmaschine:
Das Funktionsprinzip der additiven Fertigungsmaschine ist im Grunde dasselbe wie das eines gewöhnlichen Druckers, aber die Druckmaterialien sind ganz anders.
Die Druckmaterialien herkömmlicher Drucker sind Tinte und Papier, während die additive Fertigungsmaschine verschiedene "Druckmaterialien" wie Metall, Keramik, Kunststoff und Sand enthält.
Nachdem der Drucker an den Computer angeschlossen ist, können die Materialien computergesteuert Schicht für Schicht übereinander gelegt werden (der Prozess der schichtweisen Verarbeitung ist dem Tintenstrahldruck sehr ähnlich), und schließlich kann die Blaupause auf dem Computer in ein physisches Objekt umgewandelt werden.
Additive Fertigungsmaschinen sind Geräte, die echte 3D-Objekte "drucken" können.
Die Norm ISO / ASTM 52900:2015, die vom Ausschuss für additive Fertigungstechnologie der Internationalen Organisation für Normung herausgegeben wurde, unterteilt die additive Technologie in sieben Kategorien, nämlich: Stereolithografie (SLA)
Das Prinzip besteht darin, dass das feste Pulver selektiv Schicht für Schicht per Laser gesintert wird (zusätzlich zum Hauptmetallpulver muss ein bestimmter Anteil an Bindemittelpulver mit niedrigem Schmelzpunkt hinzugefügt werden, und das Bindemittelpulver ist im Allgemeinen ein Metallpulver mit niedrigem Schmelzpunkt oder ein organisches Harz usw.), und das gesinterte Pulver wird auf die verfestigte Pulverschicht aufgetragen, um schließlich ein Teil mit einer gewünschten Form zu bilden.
Das Kernstück dieser Technologie ist ein Infrarotlaser, und die Energiearbeitsumgebung ist eine Argon- oder Stickstoffatmosphäre.
Die Vorteile sind ein einfacher Herstellungsprozess, eine hohe Produktionseffizienz, viele Arten von Formmaterialien, eine hohe Materialausnutzung, eine breite Verwendung von Fertigprodukten und die Tatsache, dass keine Unterstützungssysteme berücksichtigt werden müssen.
Der Nachteil ist, dass das Gebilde aufgrund der Wirkung des Klebstoffs Poren aufweist, schlechte mechanische Eigenschaften hat und bei hohen Temperaturen umgeschmolzen und wiederaufbereitet werden muss.
Außerdem verformt sich das Produkt bei längerer Lagerung durch die Freisetzung von Eigenspannungund die Oberflächenqualität ist durchschnittlich. Die Betriebskosten sind hoch und die Ausrüstungskosten sind teuer.
Der Hauptunterschied zwischen dieser Technologie und der SLS-Technologie besteht darin, dass beim SLM das Metallpulver direkt durch den Laser erhitzt wird und nicht auf das Bindemittelpulver angewiesen ist.
Das Metallpulver erreicht durch Schmelzen und Erstarren den Effekt der metallurgischen Bindung, und schließlich erhält man die Metallteile mit der geplanten Struktur.
Um Metalle besser schmelzen zu können, muss die SLM-Technologie Laserstrahlen mit hohem Absorptionsvermögen für Metalle verwenden.
Daher werden im Allgemeinen Laserstrahlen mit kürzeren Wellenlängen wie Nd-YAG-Laser (1,064 μm) und Faserlaser (1,09 μm) verwendet.
Der Vorteil ist, dass die SLM-Technologie reines Metallpulver verwendet und die Dichte der geformten Metallteile fast 100% erreichen kann;
Mechanische Eigenschaften wie die Zugfestigkeit sind besser als bei Gussstücken und erreichen sogar das Niveau von Schmiedestücken;
Die Dichte, die mechanischen Eigenschaften und die Formgenauigkeit sind besser als beim SLS-Verfahren.
Eine weitere Technologie, das selektive Elektronenstrahlschmelzen (EBM), ähnelt der SLM-Technologie, mit dem Unterschied, dass beim EBM die kinetische Energie eines Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahls in Wärmeenergie umgewandelt wird, die als Wärmequelle für das Metallschmelzen dient, und die Arbeitsumgebung ist ein Vakuum.
Mit dem Elektronenstrahl als Wärmequelle kann eine höhere Schmelztemperatur als mit dem Laser erreicht werden, und die Leistung des Ofens und die Heizgeschwindigkeit können angepasst werden.
Es kann hochschmelzende Metalle schmelzen und die verschiedene Metalle.
Allerdings gibt es auch Nachteile wie eine geringe Metallausbeute, einen hohen spezifischen Stromverbrauch und strenge Vakuumanforderungen.
Das Funktionsprinzip dieser Technologie ist dem des SLM ähnlich.
Das Schmelzbad wird im Beschichtungsbereich durch Laser oder andere Energiequellen erzeugt und bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit.
Das Material wird in Form von Pulver oder Draht durch die Düse direkt in den Fokus des Hochleistungslasers gesprüht.
Nach dem Schmelzen wird es Schicht für Schicht zu den gewünschten Teilen aufgetragen.
Im Vergleich zur SLM-Technologie hat diese Technologie folgende Vorteile:
Erstens ermöglicht es den Laserkopf und Werkstück flexibler bewegen und so die Gestaltungsfreiheit erhöhen.
Zweitens strömt beim Betrieb der DED-Anlage das Inertgas direkt aus dem Laserkopf und umgibt den Pulverstrom und das Schmelzbad.
Sie ist nicht von der mit Inertgas gefüllten Druckkammer abhängig.
Der 3D-Druckprozess kann sofort beginnen, was die Vorbereitungszeit für die Produktion erheblich verkürzt.
Drittens kann sie große Teile ohne jegliche Stützstruktur herstellen.
Der Nachteil ist, dass der Schmelzprozess nicht so genau ist wie beim SLM, und die fertigen Teile müssen in der Regel nachbearbeitet werden.
Die 3DP-Technologie ähnelt dem SLS-Verfahren und wird mit Keramik- und Gipspulver hergestellt.
Der Unterschied besteht darin, dass das Materialpulver nicht durch Lasersintern von festem Pulver verbunden wird, sondern durch Sprühen von transparentem oder farbigem Klebstoff entlang des Querschnitts des Teils durch den Klebstoffdruckkopf und Verfestigung des Pulvers.
Das Pulver an anderen Stellen wird als Unterlage verwendet, und dann wird eine Schicht aus Pulver aufgetragen.
Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Druck abgeschlossen ist.
Das Kernstück der 3DP-Technologie ist der Klebstoffdruckkopf, der die Vorteile einer breiten Palette von Formmaterialien, eines geringen Energieverbrauchs und eines geringen Gerätevolumens bietet.
Aber auch die Nachteile sind offensichtlich.
Die mit dem Klebstoff verklebten Teile haben eine geringe Festigkeit, müssen nachbehandelt werden und die Produkte sind locker und porös.
Die von der israelischen Firma Objet entwickelte Polyjet3D-Technologie ähnelt der 3DP-Technologie, besteht aber nicht aus Klebstoff, sondern aus lichtempfindlichem Polymermaterial, das aufgesprüht wird.
Derzeit ist die polyjet3D-Technologie das Highlight von STRATASYS.
Erstens können verschiedene Grundstoffe außerhalb der Maschine gemischt werden, und neue Materialien mit besserer Leistung kann durch Kombination erreicht werden.
Zweitens kann die Produktgenauigkeit eine Auflösung von 16 Mikrometern erreichen, und es können glatte und sehr feine Komponenten und Modelle hergestellt werden.
Schließlich ist die Technologie weit verbreitet und kann für den Druck von Teilen mit unterschiedlichen Geometrien, mechanischen Eigenschaften und Farben eingesetzt werden.
So unterstützt die Polyjet-Matrix-Technologie beispielsweise auch das gleichzeitige Sprühen von Materialien mehrerer Modelle und Farben.
Das Funktionsprinzip besteht darin, die fadenförmigen Rohstoffe (in der Regel Thermoplaste) durch den Drahtvorschub in die Heißschmelzdüse zu leiten, wo sie dann erhitzt und geschmolzen werden.
Die geschmolzenen Filamente aus thermoplastischem Material werden durch die Düse extrudiert, und der Extrusionskopf bewegt sich präzise entlang der Kontur jedes Abschnitts des Teils.
Das extrudierte, halbfließende thermoplastische Material wird aufgetragen und verfestigt sich zu einer präzisen, dünnen Schicht, die die zu fertigenden Teile bedeckt.
Auf diese Weise wird ein Volumenmodell oder ein Teil Schicht für Schicht von unten nach oben gestapelt.
Diese Technologie stützt sich hauptsächlich auf Mikrodüsen (im Allgemeinen mit einem Durchmesser von 0,2-0,6 mm) und Heizelemente (um die Temperatur der halbfließenden Formmassen nur 1 °C über dem Schmelzpunkt zu halten).
Seine Vorteile sind:
1. Keine Notwendigkeit für teure Komponenten wie Laser, niedrige Kosten und hohe Geschwindigkeit.
2. Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Einsatzumgebung. Es kann im Büro oder zu Hause verwendet werden.
Er ist einfach zu warten, klein und umweltfreundlich.
3. Das Material ist leicht zu ändern und hat eine hohe Festigkeit und Zähigkeit, die den Produktentwicklungszyklus stark verkürzt, so dass es schnell auf Marktveränderungen reagieren und die individuellen Bedürfnisse der Kunden erfüllen kann.
Aber es gibt auch Mängel wie geringe Teilegenauigkeit und Schwierigkeiten bei der Formung komplexer Komponenten und großer Teile.
Bei diesem Verfahren werden Blätter (z. B. Papier oder Kunststofffolie) als Rohmaterial verwendet.
Entsprechend dem durch Computerabtastung gewonnenen Querschnitt des Teils wird die auf der Rückseite mit Schmelzkleber beschichtete Platte durch Laserschneiden entsprechend der Kontur des Teils.
Danach wird das geschnittene Blech auf das geschnittene Blech gelegt, mit einer Heißpressvorrichtung verklebt und dann der Querschnitt der nächsten Lage des Teils geschnitten und verklebt, um ein festes Teil zu bilden.
Die LOM-Technologie stützt sich hauptsächlich auf die Leistung von Schmelzklebstoff, der die Vorteile einer guten Modellunterstützung, eines leichten Ablösens von Abfällen, einer großen Teilegröße, niedriger Kosten und hoher Effizienz hat.
Der Nachteil ist, dass die Zugfestigkeit und die Elastizität schlecht sind und dass keine Hohlkörper hergestellt werden können;
Unter dem Einfluss der Materialien nehmen die mit der LOM-Technologie gedruckten Teile leicht Feuchtigkeit auf und dehnen sich aus, und die Oberfläche weist Stufenlinien auf.
Das Prinzip der SLA-Technologie besteht darin, dass die Oberfläche des flüssigen lichtempfindlichen Harzes unter der Kontrolle des Computers Punkt für Punkt mit einem ultravioletten Laser entsprechend den Schnittdaten jeder Schicht des Teils abgetastet wird, so dass die dünne Harzschicht in dem abgetasteten Bereich durch eine Photopolymerisationsreaktion ausgehärtet wird und eine dünne Schicht des Teils bildet, die Schicht für Schicht ausgehärtet wird, bis das gesamte Teil hergestellt ist.
Diese Technologie stützt sich hauptsächlich auf UV-Laser und geeignete lichtempfindliche Materialien.
Zum einen wird das flüssige Harzmaterial von Punkt zu Linie und von Linie zu Oberfläche geformt und ausgehärtet, was zu einer höheren Präzision und besseren Oberflächenqualität führt.
Andererseits weisen die Kunststoffe selbst einige Mängel auf, wie z. B. eine begrenzte Festigkeit, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit, die für eine langfristige Lagerung nicht förderlich sind.
Die Schrumpfung tritt während des Aushärtungsprozesses des Harzes auf, was unweigerlich zu Spannungen oder Verformungen führt.
Obwohl die SLA-Technologie früher entwickelt wurde und heute relativ ausgereift ist, sind die Kosten für SLA-Anlagen immer noch hoch, die Wartungs- und Nutzungskosten sind hoch, und die Stützstruktur des Werkstücks muss entworfen werden.
Nach der obigen Zusammenfassung der gängigen 3D-Druckverfahren auf dem Markt unterscheiden sich die verschiedenen additiven Fertigungstechnologien in der Regel durch unterschiedliche Materialien, Energiequellen und Formgebungsverfahren.
Die Wahl der additiven Fertigungstechnologie hängt von der Verwendung der Teile in den nachgelagerten Industrien ab.
Die Technologie der additiven Fertigung aus Metall wird in der Regel in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, während die Technologie der additiven Fertigung aus Nichtmetall weiter verbreitet ist und hauptsächlich in anderen Bereichen der industriellen Prozessgestaltung eingesetzt wird, z. B. bei Haushaltsgeräten für die Automobilindustrie, medizinischen Geräten, kulturellen und kreativen Gütern usw.
Vergleich zwischen reduzierter Materialherstellung und erhöhter Materialherstellung
| Kontrast | Traditionelles Herstellungsverfahren | 3D-Druck |
| Prinzip der Verarbeitung | Befestigen Sie die Rohstoffe auf den Geräten und verwenden Sie Werkzeuge, um die Rohstoffe zu zerkleinern oder zu entfernen. Zum Beispiel: Drehen und Schneiden von Eisen. Oder Formen entwerfen und Materialien gießen. | Digitalisieren Sie das gedruckte Modell, schneiden Sie es in Scheiben und stapeln Sie die Materialien Schicht für Schicht, z. B. durch Lasersintern oder selektives Laserschmelzen. |
| Material | Beim Schneiden fällt viel Abfallmaterial an, der Wert des unvollständigen Überschussmaterials wird beeinträchtigt und die Materialausnutzung ist gering. | Fügen Sie Materialien Schicht für Schicht entsprechend der Scheibenform des Modells hinzu. Verbrauchsmaterial auf Anfrage, spart Material. |
| Schimmelpilz | Die Konstruktion von Formen nimmt viel Zeit in Anspruch, und es besteht das Risiko, dass Formen versagen und zeitaufwändig neu konstruiert werden müssen. | Keine Notwendigkeit für traditionelle Werkzeuge, Vorrichtungen, Werkzeugmaschinen oder Formen und Stützstrukturen, was Zeit spart |
| Struktur des Teils | Das traditionelle integrale Herstellungsverfahren verwendet Schraubverbindung und Nieten. Die Spleißstruktur hat viele Verbindungen, viele Teile und eine komplexe Montage. | Die Gesamtstruktur wird direkt zusammengebaut, wodurch die Anzahl der Teile reduziert wird, das Gewicht der Struktur verringert wird, weniger Verbindungen entstehen und eine gute Abdichtung erreicht wird. Die Montage ist einfach und die Produktionseffizienz wird verbessert. |
| Teilleistung | Die Teile lassen sich leicht verformen und verbiegen, nachdem sie aus dem Werkzeug genommen wurden. | Direktes Gießen, keine Biegeverformung der Teile |
| Produktdesign | Entwurf von Fertigungsleitfäden, Produktdesign entsprechend der Machbarkeit des Prozesses Schneiden und Modellbau. | Die konstruktionsgeleitete Fertigung ermöglicht ein kühnes Design von Oberflächen und Hohlräumen, ohne die Schwierigkeiten beim Schneiden und Modellbau zu berücksichtigen. |
| Reparatur von Teilen | Nachmessen des Einbaumaßes, Herstellung neuer Teile und deren Austausch | Hinzufügen von Materialien zu den beschädigten Teilen für die Reparatur |
In den 1980er Jahren begann sich die Technologie der additiven Fertigung in Europa und den Vereinigten Staaten explosionsartig zu entwickeln.
Die Anwendung der 3D-Drucktechnologie geht auf die dreidimensionale lichthärtende Technologie (SLA) zurück, die 1986 von Charles Hull in den USA entwickelt wurde.
In den nächsten 20 Jahren wurden nacheinander eine Reihe von Patenten für 3D-Drucktechnologien wie Layered Solid Manufacturing (LOM) und Melt Deposition Molding (FDM) erteilt.
Inzwischen haben sich in Europa und Amerika nach und nach eine Reihe innovativer 3D-Druckunternehmen wie 3D Systems, STRATASYS und SLM Solution gebildet.
Da die 3D-Drucktechnologie schon früh in Europa und den Vereinigten Staaten eingeführt wurde, sind SLA (stereoskopische Lichthärtung), SLS (selektives Lasersintern) und andere Technologien nach mehr als 30 Jahren Entwicklungszeit relativ ausgereift.
Es ist relativ perfekt in der Forschung und Entwicklung und der Herstellung von Hochtemperatur-Metallwerkstoffen und -ausrüstungen.
Seit dem 21. Jahrhundert wurde die Technologie der additiven Fertigung in verschiedenen Teilbereichen weiterentwickelt, z. B. in der digitalen Lichtverarbeitung (DLP) und der Mehrfachstrahltechnologie (Ployjet).
Auch spezielle 3D-Druckmaterialien und 3D-Druckgeräte wurden entwickelt.
Gegenwärtig hat die 3D-Druckindustrie weltweit eine vollständige industrielle Kette gebildet, die Rohstoffe, Teile, Verfahren, Ausrüstung und Dienstleistungen umfasst.
Einige wichtige Unternehmen haben sich von einem einzelnen Gerätehersteller zu einem Anbieter umfassender Lösungen vom Entwurf bis zur Fertigung der Endteile entwickelt.
Im Jahr 1986 entwickelte der amerikanische Wissenschaftler Charles Hull die erste kommerzielle 3D-Druckmaschine.
1993 erhielt das MIT das Patent für die 3D-Drucktechnologie.
Im Jahr 1995 erhielt Zcorp die einzige Genehmigung des MIT und begann mit der Entwicklung von Maschinen für die additive Fertigung.
Im Jahr 2005 entwickelte zcorp erfolgreich die Spectrum Z510, die erste hochauflösende additive Farbfertigungsmaschine auf dem Markt.
Im Jahr 2010 schuf das amerikanische Team von Jim Kor die weltweit erste mit einer additiven Fertigungsmaschine gedruckte Auto-Urbee.
Im Jahr 2011 entwickelten britische Forscher den weltweit ersten 3D-Schokoladendrucker.
2011 entwickelten Ingenieure der University of Southampton das weltweit erste Flugzeug aus additiven Materialien.
Im Jahr 2012 verwendeten schottische Wissenschaftler erstmals menschliche Zellen, um mit einer additiven Fertigungsmaschine künstliches Lebergewebe zu drucken.
Im Jahr 2013 hat Solid Concepts, ein Unternehmen für additive Fertigung in Austin, Texas, eine additiv gefertigte Metallpistole entwickelt und hergestellt.
Im Jahr 2018 versuchten russische Astronauten mit dem 3D-Biodrucker auf der internationalen Raumstation, die Schilddrüse von Versuchsratten unter Schwerelosigkeit auszudrucken.
Die University of California, San Diego, setzte 2019 erstmals die Technologie der additiven Fertigung ein, um ein Gerüst für das Rückenmark herzustellen, das die Struktur des zentralen Nervensystems nachahmt.
Nachdem es mit neuronalen Stammzellen beladen worden war, wurde es in die Wirbelsäule von Ratten mit schweren Rückenmarksschäden implantiert und half den Ratten erfolgreich bei der Wiederherstellung ihrer motorischen Funktionen.
Komplexe kleine Präzisionsteile aus Metall, Metallkronen, medizinische Implantate.
Große komplexe Metallteile von Flugzeugen
Komplexe Metallkomponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate;
Große Metallkomponenten für die Luft- und Raumfahrt
Weiterführende Lektüre: 3D-Laserdruck: Additiver Fertigungsprozess und geeignete Materialien
Design und Entwicklung von Industrieprodukten, innovative und kreative Produktherstellung, Wachsformen für Präzisionsguss.
Entwurf und Entwicklung von Industrieprodukten und Herstellung innovativer und kreativer Produkte.
Technische Kunststoffteile für die Luft- und Raumfahrt, Sandkerne für den Guss von Automobil- und Haushaltsgeräten, medizinische Operationsführungen und orthopädische Implantate
Design und Entwicklung von Industrieprodukten, Sandkerne für den Guss, medizinische Implantate, medizinische Modelle, innovative und kreative Produkte, Architektur.
Entwurf und Entwicklung von Industrieprodukten, medizinischen Implantaten, Herstellung innovativer und kreativer Produkte, Wachsformen für den Guss.
3D-Druckmaterialien sind die wichtige materielle Grundlage für die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie, und Materialien sind eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung des 3D-Drucks.
Nach den von wohlersAssociates Inc. veröffentlichten Statistiken der nachgelagerten 3D-Druck-Anwendungsindustrie im Jahr 2019 machte die Automobilindustrie mit 16,4% den größten Anteil aus;
Unterhaltungselektronik und Luft- und Raumfahrt belegen mit 15,4% und 14,7% den zweiten und dritten Platz.
Je nach den Merkmalen der Produkte im nachgelagerten Bereich besteht eine große Nachfrage nach Metall- und Verbundwerkstoffen, die sich voraussichtlich zum "Wendepunkt" bei den 3D-Druckmaterialien entwickeln werden.
Die Rohstoffe, die im allgemeinen 3D-Druck verwendet werden, wurden speziell für 3D-Druckgeräte und -verfahren entwickelt, die sich von gewöhnlichen metallische WerkstoffeKunststoffe, Gips, Harze, usw. Ihre Formen sind im Allgemeinen pulverförmig, fadenförmig, schichtweise, flüssig usw.
Die Technologie der additiven Fertigung kann nach folgenden Gesichtspunkten klassifiziert werden Materialeigenschaften:
Für die Stereolithografie (SLA) wird zum Beispiel flüssiges lichtempfindliches Harzmaterial verwendet;
Für die schichtweise Herstellung von Festkörpern (Layered Solid Manufacturing, LOM) werden Plattenmaterialien wie Papier und Kunststofffolien benötigt, während für das selektive Lasersintern (SLS) und das selektive Laserschmelzen (SLM) hauptsächlich Metall- und Keramikpulver verwendet werden.
| Material für die Formgebung | 3D-Druck und Formgebungstechnologie |
| Thermoplastischer Kunststoff Papier, Metallfolie, Kunststofffolie Gips, Keramikpulver Flüssiges lichtempfindliches Harz Metall-, Legierungs-, thermoplastische und keramische Pulver | FDM LOM 3DP SLA\DLP\Ploy Jet SLS\DMLS\SLM\EBM |
Schwere Industrieprodukte sind in der Regel auf hochtemperatur- und korrosionsbeständige metallische Werkstoffe.
Um den Anforderungen der Schwerindustrie gerecht zu werden, wurde der 3D-Druck zunächst entwickelt und vor allem in Metallpulver investiert.
Metallpulver erfordert im Allgemeinen eine hohe Reinheit, eine gute Sphärizität, eine enge Partikelgrößenverteilung und einen geringen Sauerstoffgehalt.
Gegenwärtig werden für den 3D-Druck hauptsächlich Metallpulver aus Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, rostfreiem Stahl und Edelstahl verwendet. Stahl- und Aluminiumlegierung Materialien, zusätzlich zu Gold, Silber und anderen Edelmetallpulvern, die für den Druck von Schmuck verwendet werden.
Titan-Legierung wird aufgrund seiner hohen Festigkeit, guten Korrosionsbeständigkeit und hohen Hitzebeständigkeit häufig für Kompressorteile von Flugzeugtriebwerken und verschiedene Strukturteile von Raketen, Flugkörpern und Flugzeugen verwendet.
Darüber hinaus wird Edelstahlpulver häufig wegen seiner Korrosionsbeständigkeit verwendet. 3D-gedruckte Modelle aus rostfreiem Stahl haben eine hohe Festigkeit und eignen sich für den Druck großformatiger Gegenstände.
Derzeit haben Europa und die Vereinigten Staaten das Laser-Direktumformen von kleinen Teilen aus rostfreiem Stahl, Superlegierungen und anderen Materialien realisiert.
In Zukunft wird das Laserschnellumformen von großen Metallteilen aus Superlegierungen und Titanlegierungen die wichtigste technische Richtung sein.
Unter technischen Kunststoffen versteht man technische Kunststoffe, die als Industrieteile oder Außenhautmaterialien verwendet werden und sich durch hohe Festigkeit, Schlagzähigkeit, Hitzebeständigkeit, Härte und Alterungsbeständigkeit auszeichnen.
Technische Kunststoffe sind derzeit die am häufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Druck, darunter ABS-Materialien, PC-Materialien, Nylon-Materialien usw.
PC-ABS ist einer der am meisten verwendeten thermoplastischen technischen Kunststoffe.
Es hat die Zähigkeit von ABS und die hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit von PC-Materialien und wird hauptsächlich in der Automobil-, Haushaltsgeräte- und Kommunikationsindustrie verwendet.
Die Festigkeit der aus diesem Material hergestellten Probe ist etwa 60% höher als die der herkömmlichen Teile.
In der Industrie werden PC-ABS-Materialien in der Regel für den Druck von thermoplastischen Teilen verwendet, z. B. für Entwurfsmodelle, Funktionsprototypen, Fertigungswerkzeuge und Endprodukte.
PC-ISO ist ein weißes thermoplastisches Material, das die medizinische und gesundheitliche Zertifizierung bestanden hat.
Es hat eine hohe Festigkeit und findet breite Anwendung in der pharmazeutischen und medizintechnischen Industrie, z. B. bei der chirurgischen Simulation, der Schädelreparatur, in der Zahnmedizin und in anderen Fachbereichen.
Lichtempfindliches Harz ist in der Regel flüssig und kann bei einer bestimmten Wellenlänge des ultravioletten Lichts sofort eine Polymerisationsreaktion auslösen, die zu einer vollständigen Aushärtung führt. Es kann zur Herstellung von hochfesten, hochtemperaturbeständigen und wasserfesten Materialien verwendet werden.
Somos 19120 ist ein rosafarbenes Material, bei dem es sich um ein spezielles Gussmaterial handelt.
Nach dem Gießen kann es direkt den Wachsfilmprototyp des Präzisionsgusses ersetzen, das Risiko der Formentwicklung vermeiden und die Eigenschaften einer niedrigen Asche-Retentionsrate und hoher Präzision aufweisen.
Somos nächstes Material ist ein weißes Material. Es handelt sich um eine neue Art von PC-Material mit sehr guter Zähigkeit. Es kann im Grunde die Leistung von Nylonmaterial erreichen, das durch selektives Lasersintern (SLS) hergestellt wird, und hat eine bessere Genauigkeit und Oberflächenqualität.
Die aus diesem Material hergestellten Bauteile weisen die bisher beste Steifigkeit und Zähigkeit auf, wobei die Vorteile von lichtgehärteten dreidimensionalen Modelliermaterialien wie exquisite Verarbeitung, genaue Größe und schönes Aussehen erhalten bleiben.
Es wird hauptsächlich in den Bereichen Automobile, Haushaltsgeräte und elektronische Konsumgüter eingesetzt.
Es zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Härte, hohe Temperaturbeständigkeit, geringe Dichte, gute chemische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und andere hervorragende Eigenschaften aus und findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Biologie und anderen Branchen.
Bei der herkömmlichen Technologie müssen komplexe keramische Teile mit Hilfe von Gussformen geformt werden, die hohe Verarbeitungskosten und einen langen Entwicklungszyklus verursachen und den Anforderungen einer kontinuierlichen Produktaktualisierung nur schwer gerecht werden.
Beim 3D-Druck wird das selektive Lasersintern (SLS) zur Verarbeitung von Keramikpulver eingesetzt, wodurch umständliche Konstruktionsschritte entfallen und das Rapid Prototyping von Produkten möglich wird.
Dieses Material weist bestimmte Mängel auf. SLS verwendet eine Mischung aus lasergesintertem Keramikpulver und einem bestimmten Bindemittelpulver.
Nach dem Lasersintern müssen die Keramikprodukte zur Nachbehandlung in einen temperaturgeregelten Ofen gebracht werden.
Außerdem ist die Oberflächenspannung der flüssigen Phase hoch, wenn das keramische Pulver direkt und schnell mit dem Laser gesintert wird, und während des schnellen Erstarrungsprozesses werden große thermische Spannungen erzeugt, wodurch mehr Mikrorisse entstehen.
In den letzten Jahren wurden auch Lebensmittelmaterialien wie farbige Gipsmaterialien, künstliches Knochenpulver, zellbiologische Materialien und Zucker im Bereich des 3D-Drucks eingesetzt.
Farbiges Gipsmaterial ist ein vollfarbiges 3D-Druckmaterial.
Aufgrund des Formgebungsprinzips des schichtweisen Drucks auf Pulvermedien kann es nach der Verarbeitung von 3D-Druckerzeugnissen zu feinen Partikeleffekten auf der Oberfläche kommen, die wie Felsen aussehen, und zu feinen ringförmigen Strukturen auf der gekrümmten Oberfläche.
Daher werden sie meist in Animationspuppen und anderen Bereichen eingesetzt.
Das von der University of Pennsylvania in den Vereinigten Staaten gedruckte Frischfleisch wird hergestellt, indem das im Labor gezüchtete Zellmedium verwendet wird, um eine Ersatzsubstanz zu erzeugen, die dem Frischfleisch ähnlich ist, wobei ein Sol auf Wasserbasis als Bindemittel verwendet und dann mit speziellen Zuckermolekülen kombiniert wird.
Es gibt auch biologische Tinte aus menschlichen Zellen, die sich noch in der Konzeptionsphase befindet, und dasselbe spezielle biologische Papier.
Beim Drucken wird die biologische Tinte computergesteuert auf das biologische Papier gesprüht und bildet schließlich verschiedene Organe.
Was die Lebensmittel betrifft, so können 3D-Zuckerdrucker derzeit direkt Desserts in verschiedenen Formen herstellen, die schön und lecker sind, indem sie erhitzten Zucker versprühen.
Zu den vorhandenen Spezialwerkstoffen für die additive Fertigung gehören metallische Werkstoffe, anorganische nichtmetallische Werkstoffe, organische Polymerwerkstoffe und Biomaterialien.
Die Anwendung der additiven Fertigungstechnologie wird jedoch durch die geringe Anzahl der einzelnen Materialien und die unzureichende Leistungsfähigkeit stark eingeschränkt.
Gegenwärtig haben führende Unternehmen der Branche und einige Werkstoffunternehmen den Bereich der Spezialwerkstoffe nacheinander erschlossen und eine Reihe neuer Polymerverbundwerkstoffe, Hochleistungslegierungen, bioaktive Werkstoffe, keramische Werkstoffe und andere Spezialwerkstoffe hervorgebracht.
Einschlägige Unternehmen kombinieren Nanowerkstoffe, Kohlenstofffasermaterialien und andere Werkstoffe mit bestehenden Werkstoffsystemen und entwickeln multifunktionale Nano-Verbundwerkstoffe, faserverstärkte Verbundwerkstoffe, Verbundwerkstoffe mit anorganischen Füllstoffen, Verbundwerkstoffe mit Metallfüllstoffen, Polymerlegierungen und andere Verbundwerkstoffe, die den Werkstoffen nicht nur multifunktionale Eigenschaften verleihen, sondern auch den Anwendungsbereich der additiven Fertigungstechnologie erweitern und Verbundwerkstoffe zu einem der Entwicklungstrends bei Spezialwerkstoffen machen.
Verglichen mit der traditionellen Herstellungsmethode der Materialreduzierung (maschinelle Methode der Materialabtragung durch Schneidewerkzeuge), hat die additive Fertigung (additive manufacturing) viele Vorteile:
Die Herstellung eines Modells mit herkömmlichen Methoden dauert in der Regel mehrere Tage, je nach Größe und Komplexität des Modells, während die Zeit mit der dreidimensionalen Drucktechnik auf einige Stunden verkürzt werden kann, was natürlich von der Leistung des Druckers sowie der Größe und Komplexität des Modells abhängt.
Verglichen mit der traditionellen Metallherstellungstechnologie entstehen bei der additiven Fertigung weniger Nebenprodukte.
Mit den Fortschritten bei den Druckmaterialien könnte sich die "Net Shape"-Herstellung zu einer umweltfreundlicheren Verarbeitungsmethode entwickeln.
Die herkömmliche Herstellung aus reduziertem Material hat Einschränkungen bei der Verarbeitung komplizierte Formen und interne Bauchstrukturen, während die additive Fertigung die Produktleistung durch die Herstellung komplexer Strukturen verbessern kann und unvergleichliche Vorteile in der Luft- und Raumfahrt, bei der Verarbeitung von Formen und in anderen Bereichen hat.
1984: Charles Hull entwickelt die erste 3D-Drucktechnologie SLA
1986: Die LOM-Technologie wird gegründet und 3D Systems wird ins Leben gerufen.
1988: Die FDM-Technologie entsteht
1989: Gründung der SLS-Technologie, Gründung von STRATASYS und EOS
1992: Die 3DP-Technologie wird entwickelt, und 3D Systems stellt die erste dreidimensionale lichthärtende Formmaschine her.
2002: 3D-Druck des ersten menschlichen Organs - einer Niere.
2006: Der erste SLS-Drucker wird geboren
2009: Der von Makerbot hergestellte 3D-Drucker-Bausatz kommt auf den Markt
2011: materialise bietet zum ersten Mal einen Druckservice für Gold- und Silberschmuck an
2012: Die 3D-Druck-Giganten Stratasys und Objet fusionieren
2013: Chinas erstes 3D-Druck-Flugzeug mit großen Hauptlagerkomponenten aus Titanlegierung
2016: GE übernimmt die beiden 3D-Druck-Giganten Concept Laser und Arcam.
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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