Momenteel wordt 3D-printtechnologie op grote schaal gebruikt in de autoproductie, lucht- en ruimtevaart en defensie, consumptiegoederen, elektrische en elektronische apparaten, biomedische toepassingen, culturele en creatieve sieraden, bouwtechniek en onderwijs, naast vele andere gebieden. Volgens de wereldwijde autoriteit op het gebied van onderzoek naar de 3D-printindustrie, het "Wohlers Report 2020" (dat ruimtevaart- en defensietoepassingen scheidt in zijn [...]
Momenteel wordt 3D printtechnologie op grote schaal gebruikt in de automobielindustrie, lucht- en ruimtevaart en defensie, consumptiegoederen, elektrische en elektronische apparaten, biomedische toepassingen, culturele en creatieve sieraden, bouwtechniek en onderwijs, naast vele andere gebieden.
Volgens de wereldwijde autoriteit op het gebied van onderzoek naar de 3D-printindustrie, het "Wohlers Report 2020" (dat in zijn statistieken een onderscheid maakt tussen luchtvaart- en defensietoepassingen), is de automobielindustrie het grootste toepassingsgebied voor 3D-printtechnologie, goed voor 16,4% van het gebruik. Consumentenelektronica en luchtvaart volgen op de voet met respectievelijk 15,4% en 14,7%, zoals weergegeven in afbeelding 1-16.
Het onderzoek geeft ook aan dat vóór 2020 3D-printen voornamelijk werd gebruikt voor het maken van modellen, goed voor 24,6% aan toepassingen, voornamelijk voor ontwerpvalidatie en functioneel testen tijdens verschillende productontwikkelingsprocessen, waardoor dit de grootste markt voor 3D-printen is sinds het begin.
Vanaf 2020 is de directe fabricage van eindproducten met behulp van 3D-printtechnologie echter toegenomen tot 30,9%, zoals weergegeven in afbeelding 1-17, en wordt daarmee de grootste toepassing van 3D-printtechnologie. Dit toont een significante evolutie van 3D-printen van snelle prototyping naar directe fabricage van eindproducten.
Econome Carlota Perez suggereert dat elke door technologie aangedreven industriële cyclusrevolutie ongeveer 60 jaar duurt, waarbij de eerste 30 jaar de uitvindingsfase van de basistechnologie is en de laatste 30 jaar de fase van versnelde technologietoepassing. Sinds de oprichting van 3D Systems, het eerste bedrijf dat 3D printapparatuur produceerde in de Verenigde Staten in 1986, markeert het jaar 2021 het begin van de laatste 30 jaar.
Daarom wordt verwacht dat de toepassing van 3D-printtechnologie zal versnellen, waardoor er een grotere toepassingswaarde vrijkomt en aanverwante industrieën ingrijpend veranderen. In dit hoofdstuk worden typische toepassingen van 3D-printtechnologie geïntroduceerd op het gebied van de biogeneeskunde, ruimtevaart en industriële productie, en worden vervolgens de beperkingen en risico's van toekomstige toepassingen van 3D-printen besproken.
Gebaseerd op toepassingsscenario's, omvatten de huidige toepassingen van 3D printen in de biogeneeskunde voornamelijk preoperatieve planningsmodellen, chirurgische gidsen, implantaten en medische hulpmiddelen. Daarnaast vertegenwoordigt bioprinting voor regeneratieve geneeskunde en weefselachtige organen de grens van biomedisch engineeringonderzoek en is het de belangrijkste richting voor toekomstige ontwikkeling en toepassing van 3D-printen in de biogeneeskunde.
Bij preoperatieve planningsmodellen worden de CT-beeldvormingsgegevens van een patiënt omgezet in een driedimensionaal model met behulp van reconstructietechnologie en wordt het model vervolgens gematerialiseerd met 3D-printing. Deze modellen maken driedimensionale visualisatie van pathologie mogelijk, waardoor de uitdagingen van het begrijpen en evalueren van tweedimensionale doorsnedebeelden worden aangepakt.
Ze voorzien artsen van intuïtieve en nauwkeurige informatie over de locatie van de ziekte, ruimtelijke anatomische structuur, vorm en volume, en helpen bij het opstellen van complexe chirurgische plannen, preoperatieve repetities en postoperatieve resultaatbeoordelingen, waardoor de nauwkeurigheid en veiligheid van operaties aanzienlijk worden verbeterd.
De nieuwste 3D-printtechnologieën kunnen nu materialen produceren die zachte en harde texturen combineren, waardoor chirurgische incisies gemakkelijker worden en de tactiele ervaring voor chirurgen verbetert. Dit komt ook de training en vaardigheidsverbetering van jonge medische professionals ten goede.
Samenvatting van de voorgeschiedenis van de patiënt: Een 40-jarige vrouwelijke patiënt had gedurende meer dan twee maanden aanhoudende hoofdpijn, die gepaard ging met gezichtsstoornissen. Bij onderzoek werd een hersentumor ontdekt, omgeven door intracraniële slagaders, wat een operatie suggereerde, zij het met hoog risico.
Het ziekenhuis voegde de CT- en MRI-beelden van de patiënt samen, zoals te zien is in afbeelding 1-18, en voerde een driedimensionale reconstructie uit om de intracraniële situatie van de patiënt nauwkeurig te herstellen, inclusief de schedel, slagaders, aders en tumor, zoals te zien is in afbeelding 1-19. Vervolgens werd met behulp van de WJP model 3D-printer van Zhuhai Cenat New Technologies Co. Vervolgens werd met behulp van de WJP model 3D-printer van Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd. een full-color 3D-print van het gereconstrueerde schedelmodel gemaakt, zoals getoond in Afbeelding 1-20.
Met behulp van dit 3D-model konden artsen duidelijk de verdeling van de bloedvaten rond de tumor zien, waardoor ze hun intraoperatieve beslissingen konden nemen. Door de bloedvaten rondom de tumor te identificeren, konden chirurgen de tumor nauwkeurig verwijderen terwijl kritieke vaatstructuren werden beschermd.
Na een 11 uur durende operatie werd het meningioom van de patiënt in het zadelgebied van de hersenen met succes in segmenten verwijderd, waarbij de omliggende bilaterale voorste cerebrale slagaders, middelste slagaders en interne halsslagaders intact bleven. De operatie was een enorm succes.
Samenvatting van de voorgeschiedenis van de patiënt: Een 56-jarige vrouwelijke patiënt werd gediagnosticeerd met een kwaadaardige levertumor en cirrose. Een normale menselijke lever is ongeveer 1500 cm³, maar de lever van de patiënte was slechts 765 cm³, met ernstige functionele tekortkomingen. Het ziekenhuis besloot dat een levertransplantatie de enige effectieve behandeling was en na matching bleek haar 21-jarige zoon een geschikte donor te zijn.
Het was van cruciaal belang om zowel de donor- als de ontvangerlever nauwkeurig uit te snijden en de bloedvaten en galwegen nauwkeurig te anastomeren, wat een grote chirurgische expertise vereiste. Het ziekenhuis voerde een driedimensionale reconstructie uit op basis van preoperatieve CT-gegevens van de levers van de patiënte en haar zoon, zoals te zien is in respectievelijk afbeelding 1-21(a) en afbeelding 1-22(a).
De gereconstrueerde levers werden vervolgens geprint op een schaal van 1:1 met behulp van de WJP model 3D-printer van Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., zoals te zien is in de afbeeldingen 1-21(b) en 1-22(b), waardoor de omvang van de laesie en de driedimensionale ruimtelijke relatie met aangrenzende organen en weefsels nauwkeurig konden worden beoordeeld en de chirurgische aanpak en incisielocaties konden worden gepland.
De operatie was zeer succesvol en het leven van de moeder werd verlengd dankzij de lever van haar zoon.
Chirurgische guides, digitaal ontworpen en geproduceerd met behulp van 3D-printing, zijn belangrijke hulpmiddelen voor het omzetten van preoperatieve plannen naar intraoperatieve uitvoering. Ze kunnen helpen trauma aan belangrijke bloedvaten en zenuwen te voorkomen, bloedverlies te verminderen en de chirurgische veiligheid te vergroten.
De materialen die gewoonlijk gebruikt worden voor het afdrukken van dergelijke producten zijn hoogpolymeer nylon en veerkrachtige harsen met hoge sterkte (bijv. osteotomiegeleiders die bestand moeten zijn tegen zagen tijdens de operatie), transparante harsen met voldoende sterkte (bijv. tandheelkundige implantaatgeleiders) en standaardhars- of PLA-materialen voor geleidingen die geen hoge sterkte vereisen (bijv. sacrale neuroprikgeleiders en prikgeleiders voor hersenbloedingen).
3D-printtechnologie kan implantaten produceren die perfect zijn afgestemd op individuele behoeften en die met succes in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd. Deze implantaten kunnen worden vervaardigd met controleerbare microporiën, die de elasticiteitsmodulus van het implantaat kunnen verlagen. metaalmateriaalDe voordelen zijn ongeëvenaard bij traditionele implantaten.
Het gebruikelijke materiaal voor dergelijke 3D-geprinte implantaten is titanium legeringspoeder, zoals weergegeven in afbeeldingen 1-23 en 1-24. Voor implantaten die geen overmatige belasting en wrijving nodig hebben, zoals intervertebrale fusieapparaten, schedelbeenderen en kleine gewrichten zoals het mandibulaire gewricht, onderzoeken onderzoekers het gebruik van nieuwe materialen zoals PEEK (afbeelding 1-25) en magnesiumlegeringen.
Samenvatting van de voorgeschiedenis van de patiënt: In 2014 werd bij een 12-jarige man de diagnose sarcoom van Ewing gesteld, waarbij het kankerletsel zich in de atlaswervel bevond, zoals te zien is in afbeelding 1-26. De internationale standaardbehandeling bestaat uit het ondersteunen van de leegte die is achtergelaten door de uitgesneden kankeratlas met een kooi van titaniumgaas, op zijn plaats bevestigd met gaten in het gaas in combinatie met een titanium plaat en schroeven aan de voorkant, om een fusie van de wervelkolom te bereiken en de cervicale stabiliteit te herstellen.
De ondersteunende kracht en het contactoppervlak van het titanium gaas zijn echter beperkt en de weerstand tegen rotatie en verschillende buigkrachten is zwak. Door de aanwezigheid van "spanningsafscherming" zakken de wervels naast de gaaskooi na de operatie vaak in, waardoor het moeilijk is om de tussenwervelhoogte te handhaven. Daarnaast kan de dikte van de titanium plaat slikproblemen veroorzaken voor de patiënt.
Postoperatief moeten er pinnen in het hoofd en het schouderblad worden gezet en wordt er boven en onder een brace geplaatst om het hoofd te immobiliseren. Tijdens rust kan het hoofd het bed niet raken, een toestand die 3 tot 4 maanden en soms zelfs tot zes maanden moet worden gehandhaafd, wat veel pijn veroorzaakt bij de patiënt.
De patiënt werd behandeld door professor Liu Zhongjun van de afdeling Orthopedie van het Peking University Third Hospital (PUTH) en kreeg na twee operaties via zowel een posterieure als anterieure halsbenadering 's werelds eerste 3D-geprinte op maat gemaakte atlaswervel, zoals te zien is in Afbeelding 1-27. Deze succesvolle operatie overwon de nadelen van traditionele behandelmethoden en redde het leven van de patiënt. Deze succesvolle operatie overwon de nadelen van traditionele behandelmethoden en redde het leven van de patiënt.
Traditionele medische hulpmiddelen worden vaak verkregen door gipsen en thermoplastisch gieten bij lage temperatuur. Door de waterabsorptie en krimpeigenschappen van gips kan er echter vervorming van het model optreden, wat de precisie van het gereedschap beïnvloedt, en het productieproces is te afhankelijk van de persoonlijke ervaring van de technicus.
Op maat gemaakte, lichtgewicht revalidatiehulpmiddelen, vervaardigd met behulp van 3D-printtechnologie op basis van informatie over het lichaamsoppervlak die is verkregen via optisch 3D-scannen en gecombineerd met CT- en MRI-gegevens van de patiënt en computerondersteund nauwkeurig ontwerp, sluiten beter aan bij de ergonomie. Ze kunnen voldoen aan individuele behoeften van patiënten en i
Het verbeteren van postoperatief herstel of niet-chirurgische revalidatie-orthese-effecten, zoals getoond in Figuur 1-28, die verschillende soorten 3D-geprinte medische hulpmiddelen toont. De toekomstige ontwikkeling van 3D-geprinte gepersonaliseerde medische hulpmiddelen omvat nieuwe soorten prothesen, gehoor- en spraakcompenserende hulpmiddelen en nieuwe levensondersteunende systemen voor gehandicapten, zoals exoskeletrobots.
De materialen die vaak worden gebruikt voor het printen van deze producten zijn hoogpolymeer nylonmaterialen (zoals verschillende orthesen met uitstekende sterkte en veerkracht), TPU-materialen (zoals verschillende soorten biomechanische voetcompensatoren) en PLA- of harsmaterialen met hoge sterkte (zoals sommige revalidatiefixatiesteunen die geen overmatige kracht vereisen).
Samenvatting van de voorgeschiedenis van de patiënt: In 2018 werd bij een 14-jarige vrouwelijke patiënt spinale scoliose vastgesteld met een Cobb-hoek van 13° op de volledige röntgenfoto van de wervelkolom. Een follow-up in januari 2020 toonde een toename van de Cobb-hoek tot 27°. De patiënte zocht behandeling in het 3D Printing Center van het Shanghai Negende Volksziekenhuis dat verbonden is aan de Shanghai Jiao Tong University School of Medicine.
Ze kreeg een 3D-geprinte scolioseorthese en zes maanden later was de wervelkolom van de patiënt volledig gecorrigeerd. De progressie van de scoliose van de wervelkolom van de patiënte wordt getoond in Afbeelding 1-29.
Op basis van de specifieke aandoening van de patiënt legde het 3D Printing Center de driedimensionale oppervlaktegegevens van het lichaam van de patiënt vast met behulp van een 3D-lichaamsscanner (Afbeelding 1-30) en combineerde deze met röntgengegevens voor computerondersteund ontwerp, waardoor een volledig aangepast model van de scolioseorthese ontstond. Dit werd verder gematerialiseerd tot een scolioseorthese door middel van 3D-printing, zoals te zien is in Afbeelding 1-31.
Dankzij het volledig gepersonaliseerde ontwerp en de holle structuur was de scoliose-orthese ademend en licht, waardoor de patiënt deze comfortabel meer dan 20 uur per dag kon dragen.
Internationaal is er voortdurend onderzoek gedaan naar goedkope, kortcyclische, hoogwaardige 3D print fabricagetechnologie voor moeilijk te bewerken, grote en complexe metalen onderdelen in de lucht- en ruimtevaart. Bedrijven zoals Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman en instellingen zoals het Los Alamos National Laboratory in de Verenigde Staten hebben meer dan twee decennia van onafgebroken R&D geïnvesteerd.
In China hebben teams onder leiding van academicus Wang Huaming van de Beihang Universiteit en professor Huang Weidong van de Northwestern Polytechnical University ook decennialang voortdurend onderzoek gedaan en innovatieve onderzoeksresultaten behaald.
Het team van academicus Wang was bijvoorbeeld het eerste ter wereld dat sleuteltechnologieën doorbrak in het laservormproces, de apparatuur en de toepassing van grote titaniumlegering dragende componenten voor vliegtuigen, waarbij het probleem van het vormen van "grote componenten" werd aangepakt en de grootste en meest complexe titaniumlegering belangrijkste dragende integrale componenten in China's vliegtuiguitrusting werden geproduceerd, met uitgebreide mechanische eigenschappen die die van gesmede onderdelen bereiken of overtreffen.
3D-printtechnologie heeft als nieuwe productietechniek duidelijke voordelen op het gebied van lucht- en ruimtevaart met duidelijke voordelen voor de dienstverlening, die vooral tot uiting komen in de volgende aspecten:
Voor wapenuitrusting voor de lucht- en ruimtevaart is gewichtsvermindering een eeuwig onderzoeksthema, omdat het niet alleen de beweeglijkheid van vluchtuitrusting tijdens de vlucht vergroot, maar ook de laadcapaciteit verhoogt, brandstof bespaart en de vliegkosten verlaagt.
Het streven naar extreme lichtgewicht en betrouwbaarheid in lucht- en ruimtevaart en militaire apparatuur maakt de productie van grote complexe integrale structuren en complexe precisiecomponenten bijzonder moeilijk en wordt een van de knelpunten in de ontwikkeling van geavanceerde lucht- en ruimtevaart en militaire apparatuur.
Nieuwe vliegtuigen, ruimtevaartuigen en motoren maken bijvoorbeeld steeds meer gebruik van integrale structurele componenten, wat leidt tot een voortdurende toename in de grootte en complexiteit van individuele componenten. Daarnaast is er een aanzienlijke toename in het gebruik van gelegeerde materialen zoals titaanlegeringen, hogetemperatuurlegeringen en ultrahogesterktestalen, die zeer moeilijk te bewerken zijn met traditionele warmverspaning en mechanische bewerking.
De toepassing van 3D-technologie kan complexe onderdelenstructuren optimaliseren, waardoor een lichtgewicht ontwerp mogelijk wordt met behoud van de prestaties en dus gewichtsvermindering. Het optimaliseren van onderdeelstructuren kan ook leiden tot de meest rationele verdeling van spanning, waardoor het risico op vermoeiingsscheuren afneemt en de levensduur toeneemt.
Tegelijkertijd is het mogelijk om de temperatuur te regelen via redelijk complexe interne stromingskanaalstructuren, waardoor een optimale combinatie van structureel ontwerp en materiaalgebruik wordt bereikt.
In de lucht- en ruimtevaartindustrie hebben veel componenten die met traditionele productiemethoden zijn gemaakt een lage materiaalbenutting, meestal niet meer dan 10% en soms slechts 2% tot 5%. De aanzienlijke verspilling van materialen betekent dat mechanische bewerkingsprocessen complex zijn en productiecycli lang.
Voor moeilijk te bewerken onderdelen kan de bewerkingscyclus sterk verlengd worden, waardoor de productiecyclus aanzienlijk langer wordt en de productiekosten dus stijgen. Metalen 3D printtechnologie heeft als bijna-netvorm techniek een hoog materiaalgebruik en de productiekosten worden niet beïnvloed door de interne complexiteit van de onderdelen.
Als we de fabricage van de rotor met integrale bladen van titaniumlegering voor de liftventilator van het JSF-vliegtuig als voorbeeld nemen, zou traditionele "subtractieve" fabricage beginnen met een gesmede onbewerkte vorm van 1500 kg en na traditioneel frezen zou het uiteindelijke onderdeel 100 kg wegen, wat resulteert in een materiaalgebruik van slechts 6,67%, met een zeer lange fabricagecyclus, zoals getoond in Figuur 1-32. Als echter 3D printtechnologie wordt gebruikt, kunnen materiaalbesparingen tot 80% worden bereikt.
Een van de meest opvallende voordelen van 3D printtechnologie is dat het direct fysieke onderdelen kan maken van de 3D modellen die ontworpen zijn door R&D personeel zonder dat daarvoor machinale bewerking of mallen nodig zijn, waardoor het productieproces voor hoogwaardige structurele onderdelen van groot formaat aanzienlijk verkort wordt.
Bij de productie van het frame van de voorruit van China's C919 grote vliegtuig, zoals getoond in Figuur 1-33, gebruikte het team van professor Wang Huaming van de Beihang Universiteit bijvoorbeeld onafhankelijk ontwikkelde metaal 3D printtechnologie. Vanaf de ontvangst van de 3D-modelgegevens van het onderdeel tot de levering van het voltooide onderdeel voor installatie duurde het slechts 40 dagen en kostte het 1,2 miljoen yuan.
Het bestellen van het onderdeel in het buitenland zou daarentegen minstens 2 jaar duren en de matrijskosten zouden 13 miljoen yuan bedragen. Op dezelfde manier zou voor de centrale vleugelligger van de C919, die meer dan 3 meter lang is, zoals te zien is in Figuur 1-34, bij traditionele productiemethoden een supertonnage pers nodig zijn om te smeden, wat tijdrovend en arbeidsintensief is en waarbij grondstoffen worden verspild.
Bovendien was er op dat moment in China geen apparatuur die dergelijke grote structurele onderdelen kon produceren. Als het onderdeel in het buitenland zou worden besteld, zou de periode van bestelling tot installatie meer dan twee jaar in beslag nemen, wat de voortgang van O&O van het vliegtuig ernstig zou belemmeren en het binnenlandse productietempo van het grote vliegtuig zou beïnvloeden.
Het team van professor Huang Weidong van de Northwestern Polytechnical University gebruikte onafhankelijk ontwikkelde apparatuur en technologie voor 3D-printen van metaal om het onderdeel in ongeveer een maand te maken. Nadat het onderdeel de prestatietests van COMAC had doorstaan, werd het met succes toegepast op het eerste prototype van China's C919 grote vliegtuig.
In de jaren 1980 en 1990 zou het met traditionele productiemethoden minstens 10-20 jaar duren om een nieuwe generatie gevechtsvliegtuigen te ontwikkelen, zoals het J-10 gevechtsvliegtuig, waarvan de ontwikkeling bijna 10 jaar in beslag nam. Met de toepassing van 3D-printtechnologie introduceerde China het carrier-gebaseerde J-15 gevechtsvliegtuig in slechts 3 jaar, waarmee het direct de derde generatie carrier-gebaseerde gevechtsvliegtuigmatrix betrad.
3D-printtechnologie creëert ongetwijfeld een "Chinese snelheid" in de ontwikkeling van de luchtmacht.
De reparatie en het onderhoud van beschadigde onderdelen in luchtvaartapparatuur zijn altijd een belangrijk probleem geweest. Het gebruik van Laser Engineered Net Shaping (LENS) 3D-printtechnologie voor het repareren van onderdelen introduceert een nieuwe onderhoudsmethode voor luchtvaartapparatuur. In het geval van geïntegreerde turbinebladen met hoge prestaties bijvoorbeeld, wordt de hele rotor van de turbine gesloopt als één blad beschadigd is, met een direct economisch verlies van miljoenen.
Op dit moment, gebaseerd op de laag-voor-laag printkarakteristiek van LENS, kan het beschadigde blad worden beschouwd als een speciaal substraat. Door laserbekleding depositie op het plaatselijk beschadigde gebied kan het onderdeel zijn oorspronkelijke uiterlijk terugkrijgen en voldoen aan de prestatievereisten van het oorspronkelijke materiaal of deze zelfs overtreffen.
Bovendien zijn door de beheersbaarheid van het 3D-printproces de negatieve gevolgen van de reparatie zeer beperkt. Voor defensiekorpsen betekent dit dat effectieve oplossingen ter plaatse kunnen worden geleverd zonder dat er een magazijn voor reserveonderdelen nodig is, waardoor de efficiëntie van de reparatie van onderdelen aanzienlijk wordt verbeterd en de onderhoudskosten worden verlaagd.
In de toekomst kan 3D-printtechnologie worden ingezet in de voorhoede van het slagveld, waarbij onderdelen direct op het slagveld worden geprint en de tussenstappen van productie, distributie en opslag worden geëlimineerd.
Momenteel heeft de Amerikaanse marine het project "Print the Fleet" opgestart, waarbij een reeks procedures wordt ontwikkeld voor het printen, kwalificeren en leveren van onderdelen en waarbij verschillende 3D-printtechnologieën en -materialen voor militair gebruik worden geëvalueerd om het doel te bereiken van het produceren van vliegtuigonderdelen op marineschepen op zee.
In de toekomst kan 3D-printtechnologie ook worden ingezet in ruimtestations om direct 3D-printen van onderdelen in de ruimte te realiseren. In augustus 2014 transporteerde NASA een 3D-printer die in staat was om in een vacuümomgeving te werken naar het internationale ruimtestation, waar astronauten niet alleen teststukken printten, maar ook functionele structurele onderdelen.
China voerde in mei 2020 ook zijn eerste 3D-printingexperiment in een baan om de aarde uit en was de eerste ter wereld die in de ruimte 3D-printing van continue koolstofvezelversterkte composietmaterialen realiseerde, zoals getoond in Figuur 1-35.
Hieronder staan drie voorbeelden van 3D-printtoepassingen in de lucht- en ruimtevaart in China.
Op 15 mei 2021, om 07:18, scheidden de "Tianwen-1" lander en orbiter zich van elkaar en maakte met succes een zachte landing op het oppervlak van Mars, zoals getoond in Figuur 1-36. Vervolgens zond de "Zhurong" Mars rover met succes telemetriesignalen terug. De 7500N motor met variabele stuwkracht die gebruikt werd voor de Marslanding was de 2.0 versie van de motor die gebruikt werd voor de maanlandingen.
De verbeterde "Tianwen-1" 2.0 versie 7500N motor met variabele stuwkracht had dezelfde prestaties en stuwkracht als de 7500N motor van het vorige Chang'e maanproject, maar was slechts een derde van het gewicht en volume, met een meer geoptimaliseerde en compacte structuur, zoals getoond in Figuur 1-37.
Hiervoor werd het frame van de aanmeerflens van de motor voor het eerst uit één stuk 3D-geprint, waardoor vervorming door het verwijderen van grote materiaaloverschotten uit massieve staven of smeedstukken werd voorkomen en het gewicht effectief werd verlaagd.
Op 8 mei 2020, om 13:49 uur, landde de terugkeercapsule van China's testvoertuig voor bemande ruimtevaartuigen van de nieuwe generatie, ontwikkeld door het China Aerospace Science and Technology Corporation Space Technology Research Institute, met succes in het aangewezen gebied op de landingsplaats van Dongfeng.
De succesvolle voltooiing van de vluchtmissie van het testvoertuig betekende een prototype voor China's nieuwe generatie bemande ruimtevaartuigen en belangrijke doorbraken in een reeks nieuwe technologieën op gebieden zoals cabinestructuur, materialen en besturingssystemen.
Een van de belangrijke technologische doorbraken was het ontwerpen en 3D-vormen van een geïntegreerd frame van een titaniumlegering met een diameter van 4 m, waarmee doelen als gewichtsvermindering, cyclusverkorting en kostenverlaging werden bereikt. De succesvolle terugkeer van het testvoertuig van de nieuwe generatie bemande ruimtevaartuigen markeerde ook de succesvolle test van de integrale 3D-printtechnologie voor overmaatse belangrijke structurele componenten.
Figuur 1-38 toont de landingssituatie van de terugkeercapsule van het testvoertuig voor bemande ruimtevaartuigen van de nieuwe generatie en het oversized geïntegreerde frame van een titaniumlegering dat verkregen is door 3D-printen.
Op 21 mei 2018 werd de Chang'e-4 relaissatelliet "Queqiao" met succes gelanceerd op het Xichang Satellite Launch Center. Zijn werkende baan in de diepe ruimte zal de mensheid helpen de mysteries van de verre kant van de maan verder te ontsluieren. Met beperkte lanceermogelijkheden was de gewichtsindex van "Queqiao" extreem streng. De beugel van het scheve reactiewiel, een van de zwaardere onderdelen van de satelliet, werd ontworpen om het gewicht te verminderen.
Topologieoptimalisatie werd uitgevoerd met de Inspire-software van Altair, waardoor de ontwerpfilosofie veranderde van "het ontwerpen van de productstructuur eerst bepalen en dan de productprestaties controleren" naar "eerst de productprestaties bepalen en dan de uiteindelijke productstructuur verkrijgen door topologieoptimalisatie", waardoor een lichtgewicht ontwerp wordt bereikt.
Verder werd met behulp van 3D-printen van aluminiumlegeringen de integrale fabricage uitgevoerd, waardoor lichtgewicht fabricage mogelijk werd. Figuur 1-39 toont het geprinte product van de steun van het scheve reactiewiel voor de "Queqiao" relaissatelliet en de montage ervan op de satelliet.
Aanvankelijk werd 3D printtechnologie in de industriële productie vooral gebruikt voor het maken van prototypes tijdens de productontwikkeling, het verifiëren van het ontwerp, de structuur en het testen van de assemblage. Voor de massaproductie van een nieuw product is het bijvoorbeeld nodig om het product te evalueren om eventuele problemen met het ontwerp snel te identificeren.
Het kan de echte werkingsomstandigheden van het product simuleren voor assemblage, interferentiecontroles, functionele testen en fabricage- en assemblage-inspecties. Daarnaast kan het gebruikt worden voor het maken van mallen, waarbij 3D printtechnologie hoofdmallen maakt voor vacuümgieten en verlorenwasgieten, spuitgieten, etc.
Deze worden vervolgens gecombineerd met traditionele productieprocessen om mallen te maken voor massaproductie. Na meer dan 30 jaar ontwikkeling wordt 3D-printtechnologie nu op grote schaal gebruikt in de industrie voor de directe productie van eindproducten, waaronder het direct printen van sommige matrijzen. Het kan ook spuitgietmatrijzen met conforme koeling printen, die aanzienlijke voordelen hebben ten opzichte van traditionele spuitgietmatrijzen.
Bij traditionele productontwikkeling en validatie wordt meestal CNC gebruikt, wat beperkingen heeft bij het verwerken van complexe producten met holle, uitgeholde, zeer nauwkeurige, dunwandige of onregelmatige structuren. Zelfs als CNC sommige van deze producten kan bewerken, zijn de kosten erg hoog, waardoor het meer geschikt is voor structureel eenvoudige, dikke en zware onderdelen.
3D printen biedt voordelen zoals een hoge verwerkingssnelheid, eenmalig gieten en de kosten worden niet beïnvloed door de complexiteit van het product. Het wordt nu veel gebruikt in verschillende industrieën voor ontwerpvalidatie, assemblageverificatie en het testen van kleine series tijdens productontwikkeling. Veelgebruikte 3D printmaterialen voor productontwikkeling en -validatie zijn fotopolymeerharsen en hoogpolymeer nylonmaterialen.
Fotopolymeerharsmaterialen produceren onderdelen met gladde oppervlakken maar een lagere sterkte, terwijl hoogpolymeer nylonmaterialen geschikt zijn voor producten die een hogere sterkte en taaiheid vereisen. Afbeelding 1-40 toont afbeeldingen van enkele 3D printen productontwikkelings- en validatiecases.
Met traditionele bewerkingsmethoden gebruiken kunststof mallen meestal rechte koelkanalen, die niet effectief zijn voor het koelen van dunwandige onderdelen of onderdelen met een diepe holte, zoals te zien is in Afbeelding 1-41(a). Met metalen 3D printtechnologie kunnen mallen met conforme koelkanalen direct worden geprint, zoals getoond in Figuur 1-41(b), zodat er geen blinde vlekken zijn bij het koelen van de mal.
Spuitgietmatrijzen met conforme koeling hebben de volgende duidelijke voordelen:
① Ze kunnen de koelingsefficiëntie effectief verbeteren, de koeltijd verkorten en de efficiëntie van de injectieproductie verhogen, over het algemeen met 20% tot 40%.
② Ze verbeteren de gelijkmatigheid van het koelen, verminderen kromtrekken en vervorming van het product en stabiliseren de afmetingen, waardoor de productkwaliteit verbetert.
Het kunststof onderdeel van een generiek paneel van een klant werd vervaardigd met behulp van een metalen 3D-geprinte conforme koelkern. De cyclustijd van de matrijs werd teruggebracht van 55 seconden naar 43 seconden en de productie steeg van 1300 stuks per dag naar 1670 stuks per dag, waardoor de productie-efficiëntie met 28% toenam. De dagopbrengst van het onderdeel was oorspronkelijk 39.000 yuan, maar steeg naar 50.100 yuan na het gebruik van 3D-printing.
Na aftrek van de kosten voor injectiematerialen, afschrijving en stroom, steeg de dagelijkse winst met 2.100 yuan. Eén set van dergelijke mallen (180 dagen per jaar in bedrijf) kan een extra winst van 2.100 x 180 = 378.000 yuan opleveren. Met tien sets kan de winst toenemen met 3,78 miljoen yuan, wat een zeer goed rendement oplevert, zoals blijkt uit Tabel 1-1.
Tabel 1-1: Productievergelijking voor en na het gebruik van 3D-printen met metaal om conforme koelkernen te maken
| Vergelijkingsitem | Traditioneel | 3D afdrukken | Opmerking |
| Productiecyclus (seconden) | 55 | 43 | |
| Output (stuks/dag) | 1300 | 1670 | Gebaseerd op 20 productie-uren per dag |
| Prijs per eenheid (yuan) | 30 | 30 | |
| Inkomsten (yuan/dag) | 39,000 | 50,100 | Winststijging van 2.100 yuan/dag |
Het ventilatorblad van een split airconditioner van een klant, zoals getoond in Figuur 1-42(a), had oorspronkelijk een kern van berylliumkoper in het middelste deel van de mal, zoals getoond in Figuur 1-42(b). Berylliumkoper heeft een snelle warmtegeleiding en een goed koelend effect, maar het is niet slijtvast en heeft een levensduur die een kwart is van die van stalen onderdelen, waardoor vervanging nodig is na ongeveer 30.000 stuks, waardoor de werklast voor het onderhoud van de mal toeneemt.
Later werd een 3D-geprinte stalen matrijskern gebruikt, zoals getoond in Figuur 1-42(c), die dankzij het ontwerp van een redelijke conforme koelwaterdoorgang meer dan 120.000 stuks kan produceren en ook de efficiëntie van de spuitgietproductie verbetert. De matrijs heeft in totaal 66 sets; na een jaar werden ze allemaal vervangen door 3D-geprinte stalen matrijskernen, wat resulteerde in een totale kostenbesparing van meer dan 300.000 yuan, zoals te zien is in Tabel 1-2.
Tabel 1-2: Vergelijkingstabel van gebruikskosten voor gegoten berylliumkoperen kerndelen en 3D-geprinte kerndelen.
| Type | Levensduur | Prijs per eenheid (yuan) | Jaarlijkse productie van ventilatorbladen (10.000 stuks) | Aantal vervangingen | Kosten as (yuan) | Machinist Kosten (yuan) | Tuningkosten (yuan) | Cumulatieve kosten (yuan) |
| Beryllium koperen onderdelen | 30.000 stuks | 400 | 2,200 | 768 | 768 x 400 = 307,200 | 768 x 200 = 153,600 | 768 x 150 = 115,200 | 576,000 |
| 3D-geprinte onderdelen | 120.000 stuks | 480 | 2,200 | 192 | 192 x 480 = 92,160 | 192 x 200 = 38,400 | 192 x 150 = 28,800 | 159,360 |
Bij verlorenwasgieten, ook wel precisiegieten genoemd, wordt vaak was gebruikt om de wegwerppatronen te maken. Waspatronen voor verlorenwasgieten worden vaak gemaakt met behulp van 3D-printen.
De investering gietproductie Het proces voor een sieraad doorloopt de verschillende stappen in Afbeelding 1-43: (a) 3D-ontwerpmodel van het product; (b) het waspatroon wordt geprint met een 3D-wasprinter; (c) de wasdrager wordt opgelost; (d) het afgewerkte wasmodel wordt verkregen; (e) er wordt een wasboom gemaakt; (f) de wasboom wordt in een metalen mal geplaatst; (g) er wordt gips gegoten om de gipsen mal te vormen en er wordt vacuüm aangebracht; (i) metaal wordt gesmolten; j) het metaal wordt in de gipsen mal gegoten en het gips wordt opgelost in water; k) het halffabrikaat wordt gewassen in zoutzuur en gedroogd; l) de metalen juwelenboom wordt uit elkaar gehaald; m) er wordt geslepen en gepolijst; n) het definitieve juwelenproduct wordt verkregen.
(a) 3D-ontwerpmodel van het product
(b) Waspatroon afgedrukt door 3D-wasprinter (het witte gedeelte is ondersteunend materiaal)
(c) Oplossen van wassteunen
(d) Het verkrijgen van het afgewerkte waspatroon
(e) Waxboom creëren
(f) Wasboom in metalen mal plaatsen
(g) Gips gieten om gipsvorm te vormen en vacuüm aanbrengen
(h) Bakken bij hoge temperatuur in de oven om was uit te branden en gipsnegatieve mal te verkrijgen
(i) Metaal smelten
(j) Gieten van metaal in een gipsen mal en oplossen van gips met water
(k) Wassen van halffabrikaten met zoutzuur en drogen
(l) Demontage metalen juwelenboom
(m) Slijpen en polijsten
(n) Verkrijgen van het uiteindelijke sieraadproduct
Zandgieten bestaat uit het maken van mallen en kernen van gietzand (meestal kiezelzand) en een bindmiddel om metalen gietstukken te maken. Dit traditionele proces vereist meestal het handmatig of semi-handmatig maken van houten patronen voor de zandmallen en kernen.
Met 3D printtechnologie kunnen zandmallen en kernen echter direct vanuit ontwerpgegevens worden geprint, waardoor de efficiëntie van het maken van mallen aanzienlijk wordt verbeterd, productiecycli worden verkort, productiekosten worden verlaagd en een hogere precisie wordt geboden in vergelijking met traditioneel zandgieten. Het maakt ook het gieten van onderdelen met dunne wanden en complexe interne structuren mogelijk.
Een dunwandig koppelingshuis werd geproduceerd door middel van zandgieten, met afmetingen van 465 mm × 390 mm × 175 mm en een gewicht van 7,6 kg, verdeeld in boven- en onderdelen. Het Duitse bedrijf Voxeljet gebruikte GS09 zand van hoge kwaliteit om de zandmal met extreem dunne wanden 3D te printen, zoals te zien is in Figuur 1-44(a). Het onderdeel werd vervolgens gegoten met behulp van een G-AlSi8Cu3 legering, zoals te zien is in Figuur 1-44(b) en (c).
Het hele fabricageproces duurde minder dan 5 dagen en het geproduceerde koppelingshuis had dezelfde prestaties als onderdelen die later in serie werden geproduceerd nadat ze de tests hadden doorstaan, wat een aanzienlijk tijd- en kostenvoordeel voor de klant opleverde.
Het inlaatspruitstuk, dat zich tussen het gasklephuis en de inlaatkleppen van de motor bevindt, wordt een spruitstuk genoemd omdat de lucht zich verdeelt nadat het door de gasklep is binnengekomen. Het spruitstuk moet het lucht-brandstofmengsel of schone lucht zo gelijkmatig mogelijk over elke cilinder verdelen, wat betekent dat de lengten van de gasdoorgangen in het spruitstuk zo gelijk mogelijk moeten zijn.
Om de weerstand van de gasstroom te verminderen en de inlaat te vergroten, moeten de binnenwanden van het inlaatspruitstuk glad zijn. Inlaatspruitstukken voor raceauto's hebben veel interferentiegebieden, wat een uitdaging vormt voor het zandgieten en de daaropvolgende bewerking. Om aan de precieze eisen van complexiteit te voldoen, verdeelde Voxeljet het model van het inlaatspruitstuk in vier delen voor het 3D-printen van de zandmallen, waardoor vervormingsproblemen tijdens de assemblage werden voorkomen.
De afmetingen van het verdeelstuk waren 854 mm × 606 mm × 212 mm, de totale zandvorm woog ongeveer 208 kg, zoals getoond in Figuur 1-45(a), en de druktijd was 15 uur. De gegoten aluminiumlegering Inlaatspruitstuk woog ongeveer 40,8 kg, zoals getoond in Figuur 1-45(b).
Siliconen gieten is een proces waarbij een prototype wordt gebruikt om onder vacuüm een siliconen mal te maken, waarin vloeibare hars wordt gegoten om het originele onderdeel na te maken. Deze replica's presteren bijna net zo goed als spuitgietproducten en kunnen in kleur worden aangepast aan de eisen van de klant.
De materialen worden gegoten met vacuüm- of lagedrukgietmethodes, waarbij vacuümgieten vooral wordt gebruikt voor de productie van kleine tot middelgrote onderdelen, zoals behuizingen voor consumentenelektronica, terwijl lagedrukgieten vooral wordt gebruikt voor grote onderdelen, zoals autobumpers.
Traditioneel werden prototype-onderdelen voor siliconenmallen gemaakt met behulp van CNC-verspaning, terwijl 3D-geprinte prototypes voor siliconenmallen meestal snel worden gemaakt met behulp van fotopolymeerharsmaterialen via het SLA-proces. Elke siliconenmal kan ongeveer 10-20 stuks produceren, met een nauwkeurigheid van ±0,2 mm/100 mm, een minimale gietdikte van 0,5 mm, optimaal bij 1,5-5 mm en een maximale gietgrootte van ongeveer 2 meter.
De processtroom ziet er als volgt uit:
Prototype maken: Op basis van de 3D-gegevens van het product wordt een prototype gemaakt met behulp van 3D-printen.
② Siliconen mal maken: Nadat het prototype is gemaakt, wordt er een frame voor de mal gemaakt, wordt het prototype op zijn plaats bevestigd en worden er 'sprues' en ontluchtingsgaten gemaakt. De sprue is de inlaat voor materiaal, ook wel de 'poort' genoemd. De grootte en vorm van de sprue moeten worden ontworpen op basis van de vloei-eigenschappen van het materiaal en de grootte van het onderdeel.
Vloeibare silicone, vacuüm ontgast, wordt in de mal gegoten om het product volledig te bedekken. De mal wordt dan gebakken om het uitharden van de silicone te versnellen en na 8 uur wordt de siliconenmal opengesneden zodat er twee helften ontstaan, wordt het prototype verwijderd en is het maken van de siliconenmal voltooid.
Vacuümgieten: Na het sluiten van de siliconenmal wordt deze in een vacuümgietmachine geplaatst, waar de lucht wordt geëvacueerd of een lagedrukomgeving wordt gecreëerd, waarna het materiaal wordt geïnjecteerd.
Na het vullen wordt het materiaal 30-60 minuten uitgehard bij een constante temperatuur van 60-70 °C en vervolgens ontvormd. Indien nodig wordt een tweede uitharding uitgevoerd gedurende 2-3 uur bij 70-80°C. Nadat het materiaal is uitgehard, wordt de mal verwijderd, geopend en wordt het gerepliceerde product verkregen. Deze cyclus wordt herhaald om kleine series replica's te maken.
Siliconen spuitgieten is sneller, goedkoper en heeft kortere productiecycli dan spuitgieten, waardoor de ontwikkelingskosten en de R&D-tijd aanzienlijk korter zijn.
Het wordt vaak gebruikt bij de ontwikkeling en het ontwerp van auto-onderdelen voor de productie van kleine series kunststof onderdelen voor prestatietests en wegtesten, zoals behuizingen voor airconditioners, bumpers, luchtkanalen, ingekapselde ventilatieopeningen, inlaatspruitstukken, middenconsoles en dashboards. Afbeelding 1-46 toont twee voorbeelden van siliconenmallen en nagemaakte onderdelen die zijn gemaakt met behulp van 3D-geprinte prototypes.
3D printtechnologie wordt steeds vaker gebruikt voor de directe productie van onderdelen of producten voor eindgebruik op verschillende gebieden, zoals lucht- en ruimtevaart, militair, medisch, auto's, huishoudelijke apparaten en consumentenelektronica. In de autofabricagesector experimenteren onderzoekers en bedrijven voortdurend met de directe productie van onderdelen en zelfs hele voertuigen met behulp van 3D-printen.
Ford Motor Company heeft bijvoorbeeld bijna 100 verschillende 3D printers in meer dan 30 fabrieken wereldwijd en investeert al tientallen jaren in deze technologie. Ford gebruikt 3D-printen niet alleen voor ontwikkeling en verificatie, maar ook voor de productie van definitieve onderdelen en gereedschappen.
Andere autogiganten zoals Mercedes, BMW, Audi, Volkswagen, Toyota, Cadillac, Tesla, Ferrari, Lamborghini en Porsche passen 3D-printen ook uitgebreid toe bij de ontwikkeling en productie van hun voertuigen.
Lichtgewicht is een wereldwijde trend in de auto-industrie en het streven naar lichtere voertuigen zal in de toekomst nog extremer worden. Het doel van lichtgewicht auto's is om het gewicht van het voertuig aanzienlijk te verminderen en tegelijkertijd de sterkte en veiligheid te garanderen, het vermogen en de actieradius te verbeteren, het brandstofverbruik te verlagen, de vervuiling door uitlaatgassen te verminderen en zelfs het rijgedrag en de veiligheid van het voertuig te verbeteren.
Metalen 3D-geprinte auto-onderdelen zijn 40-80% lichter dan traditionele onderdelen, wat de CO2-uitstoot met 16,97g/km kan verminderen. Sommige lichtgewicht onderdelen hebben complexe interne rasterstructuren die het gewicht verlagen en tegelijkertijd de prestaties verbeteren.
Lichtgewicht omvat materiaal-, ontwerp- en procesaspecten, zoals het gebruik van staal met een hoge sterkte, titaniumlegeringen en andere materialen. aluminiumlegeringenHet optimaliseren van structuur-, geïntegreerde en topologieontwerpen en het toepassen van geavanceerde fabricageprocessen om de prestaties van onderdelen te verbeteren en meer gewicht te besparen.
Naarmate de 3D-printtechnologie zich verder ontwikkelt, kunnen steeds meer auto-onderdelen direct worden gefabriceerd en gebruikt. 3D-printen staat op het punt om een nieuwe golf van upgrades in de auto-industrie te ontketenen.
De BMW Group is altijd een pionier geweest in de toepassing van 3D-printtechnologie in de auto-industrie. De BMW i8 Roadster maakt gebruik van 3D-printtechnologie om een metalen beugel voor de cabriokap te maken, die direct in massaproductie wordt gebruikt, zoals getoond in Figuur 1-47(a).
Deze 3D-geprinte metalen beugel verbindt de kap van de cabrioletkap met het veerscharnier, zodat het dak gemakkelijker kan worden in- en uitgeklapt zonder dat er extra geluiddempende maatregelen nodig zijn, zoals rubberen dempers of sterkere (en zwaardere) veren en aandrijfeenheden. De beugel moet het volledige gewicht van het dak optillen, duwen en trekken en heeft een complexe geometrie nodig die onmogelijk door gieten te bereiken is.
Het uiteindelijke ontwerp produceerde een lichtgewicht rasterstructuur met behulp van metalen 3D-printtechnologie, waarbij de ondersteuning voor het dak werd geoptimaliseerd terwijl de verplaatsing werd geminimaliseerd om te voorkomen dat de afdekking zou instorten tijdens het openen, zoals te zien is in Afbeelding 1-47(b). Deze 3D-geprinte beugel won de Altair Enlighten Award 2018, een erkenning voor significante vooruitgang in lichtgewicht technologie, en trok veel aandacht voor het innovatieve ontwerp tijdens de prijsuitreiking.
Een ander 3D-geprint onderdeel voor eindgebruik dat direct in de BMW i8 Roadster wordt gebruikt, is de raamgeleidingsrail, zoals te zien is in Figuur 1-48. Dankzij nylon 3D printen kon de geleiderail in slechts vijf dagen worden ontwikkeld en in massaproductie worden genomen. Binnen 24 uur konden meer dan 100 geleiderails voor de ramen worden geproduceerd. Het onderdeel wordt in de deuren van de BMW i8 Roadster geïnstalleerd, waardoor de ramen soepel kunnen werken.
Uit de publiek beschikbare productie-informatie van BMW blijkt dat het gewicht van de BMW i8 Roadster in 2018 met 44% is verlaagd. Het bedrijf heeft tot nu toe meer dan een miljoen onderdelen geproduceerd met behulp van 3D-printen. Alleen al in 2018 bedroeg de output van het 3D-printproductiecentrum van BMW Group meer dan 200.000 onderdelen, een stijging van 42% ten opzichte van het voorgaande jaar.
De Bugatti Chiron kan in slechts 42 seconden van 0 naar 400 km/u accelereren en verlegt daarmee de grenzen van de fysica. Bugatti's succes is te danken aan de voortdurende optimalisatie van hun systemen en de succesvolle toepassing van nieuwe materialen en processen. Zo zijn de remmen van de nieuwe Chiron de krachtigste ter wereld, met respectievelijk acht en zes zuigers in de remklauwen voor en achter.
Voorheen waren de remklauwen voor de Bugatti Chiron gemaakt van een zeer sterke aluminiumlegering, met een gewicht van 4,9 kg. De nieuwe remklauwen zijn structureel geoptimaliseerd op basis van biomimicry-principes en zijn 3D-geprint van een titaniumlegering van luchtvaartkwaliteit. Ze wegen slechts 2,9 kg, een gewichtsbesparing van 40%, zoals getoond in Figuur 1-49.
De ontwikkeling van de nieuwe remklauwen verliep ongelooflijk snel en nam slechts drie maanden in beslag vanaf het eerste concept tot het eerste geprinte onderdeel. Het meest tijdrovende deel was het simuleren en optimaliseren van de sterkte en stijfheid van het nieuwe ontwerp, gevolgd door het simuleren van het printproces om een soepele afronding te garanderen.
De schuifmaat is 41 cm lang, 21 cm breed en 13,6 cm hoog. Hij is geprint met een smeltsysteem met vier lasers en het duurde 45 uur om te printen. Na het printen werden het onderdeel en de basisplaat hittebehandeld op 700°C in een gloeien oven en liet afkoelen met de oven om restspanningen te elimineren en dimensionale stabiliteit te garanderen, een proces dat 10 uur in beslag nam.
Vervolgens werd het onderdeel verwijderd door draadsnijden, de steunen werden verwijderd en het onderdeel werd geslepen en gepolijst met een combinatie van fysische en chemische methoden om de kwaliteit te verbeteren. vermoeiingssterkte en de duurzaamheid op lange termijn te verhogen tijdens het latere gebruik van het voertuig. Tot slot werd de schroefdraadbewerking (om de zuigers te verbinden) voltooid op een freesmachine, wat 11 uur in beslag nam.
Hoewel 3D-printtechnologie tijdens haar verspreiding sterke toepassingsvoordelen heeft laten zien, heeft ze ook te kampen met tal van beperkingen en risico's. Alleen door deze problemen duidelijk te begrijpen, op te lossen of te vermijden, kan 3D-printen zijn voordelen ten volle benutten en zijn toepassingsgebied en domeinen blijven uitbreiden.
De meeste 3D printers hebben momenteel de volgende opvallende problemen: Ten eerste is de grootte van de apparatuur klein, met printafmetingen die meestal rond de 400mm×400mm×40mm liggen, en slechts enkele groter dan 1000mm. Ten tweede is de efficiëntie relatief laag, met lange printtijden en hoge kosten. Ten derde, oppervlakteruwheid en maatnauwkeurigheid zijn nog niet ideaal.
Precisiegieten kan bijvoorbeeld een oppervlakteruwheid bereiken die beter is dan Ra3,2 μm en zelfs lager dan Ra1,6 μm, terwijl het beste niveau voor laser 3D geprinte metalen onderdelen momenteel rond Ra6,4 μm ligt, over het algemeen boven Ra10 μm, en voor elektronenbundel poederbed 3D printen is de oppervlakteruwheid Ra20-30 μm.
Ten vierde zijn de materialen beperkt; elk type 3D printproces is beperkt tot een zeer beperkt aantal of soorten materialen, waardoor het niet kan voldoen aan de eisen van sommige vakgebieden.
Tabel 1-3 geeft een overzicht van de belangrijkste fabrikanten van SLM-apparatuur en hun parameters, zowel nationaal als internationaal.
| Bedrijf/School | Typische apparatuurmodellen | Lasertype | Vermogen/W | Bouw Envelope/mm | Bundeldiameter/μm |
| EOS | M280 | Vezel | 200/400 | 250×250×325 | 100~500 |
| Renishaw | AM250 | Vezel | 200/400 | 250×250×300 | 70~200 |
| Concept | M2 cusing | Vezel | 200/400 | 250×250×280 | 50~200 |
| SLM Oplossingen | SLM 500HL | Vezel | 200/500 | 280×280×350 | 70~200 |
| Zuid-Chinese Technische Universiteit | Dmetaal-240 | Halfgeleider | 200 | 240×240×250 | 70~150 |
| Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie | HRPM-1 | YAG | 150 | 250×250×400 | Ongeveer 150 |
Werknemers die metalen 3D printers bedienen of aan nabewerking doen, komen meestal in contact met metaalpoeders die minder dan 100 micron groot zijn. Deze fijne deeltjes kunnen gemakkelijk de longen of slijmvliezen binnendringen en ademhalings- of neurologische schade veroorzaken. Het is essentieel om beschermende kleding en gasmaskers te dragen om deze risico's te beperken.
Bovendien zijn voor het 3D printen van metaal vaak inerte gassen nodig zoals argon of stikstof om oxidatie tijdens het proces te voorkomen. Als deze inerte gassen lekken, vormen ze een ernstig risico omdat ze niet door het menselijk lichaam kunnen worden gedetecteerd en buiten medeweten van het slachtoffer kunnen worden ingeademd. De lucht die we inademen bevat 21% zuurstof; een daling onder 19,5% als gevolg van een lek kan zuurstoftekort en schade veroorzaken.
Dit is vooral waarschijnlijk in gesloten ruimtes, dus gebruikers van metalen 3D printers moeten zich bewust zijn van dit potentiële gevaar en preventieve maatregelen nemen.
In metalen 3D printworkshops kunnen poeders van metalen zoals titanium, aluminium en magnesium in de lucht geconcentreerd raken en, als ze in aanraking komen met een ontstekingsbron, verbranden of zelfs exploderen. Hoe fijner het poeder, hoe gevoeliger het is voor verbranding. Daarom moeten bij de opslag, verwerking en nabewerking van metaalpoeders ontstekingsbronnen en statische elektriciteit worden vermeden.
Bovendien kan het morsen van poeder milieurisico's met zich meebrengen. In 2014 noemde de Occupational Safety and Health Administration (OSHA) in de Verenigde Staten een veiligheidsincident waarbij een metaal 3D printfaciliteit niet de juiste brandbestrijdingsuitrusting had, waardoor een operator brandwonden opliep. Hoewel de brand het gevolg was van onjuiste omgang met de apparatuur, dient het incident toch als een belangrijke veiligheidsherinnering.
Hoewel 3D-printtechnologie technologische vooruitgang stimuleert en gemak biedt, introduceert het ook risico's in verschillende toepassingen die aandacht verdienen.
3D-geprinte vuurwapens kunnen bijvoorbeeld risico's opleveren voor de persoonlijke veiligheid en de openbare orde; 3D-geprinte geneesmiddelen kunnen risico's opleveren voor de controle op geneesmiddelen en de gezondheid; 3D-geprinte goederen kunnen inbreuk maken op handelsmerken, auteursrechten en intellectuele eigendomsrechten, en zelfs 3D-printen kan risico's opleveren voor de beveiliging van persoonlijke informatie, de veiligheid van eigendommen en ethische normen.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR