В настоящее время технология 3D-печати широко используется в автомобилестроении, аэрокосмической и оборонной промышленности, производстве потребительских товаров, электрических и электронных устройств, биомедицинских приложений, культурных и творческих украшений, строительной инженерии, образовании и многих других областях. Согласно глобальному авторитетному исследованию индустрии 3D-печати "Wohlers Report 2020" (в котором аэрокосмические и оборонные приложения выделены в [...]...
В настоящее время технология 3D-печати широко используется в автомобилестроении, аэрокосмической и оборонной промышленности, производстве потребительских товаров, электрических и электронных устройств, биомедицинских приложений, культурных и творческих украшений, строительной инженерии, образовании и многих других областях.
По данным глобального авторитетного исследования индустрии 3D-печати "Wohlers Report 2020" (в статистике которого аэрокосмические и оборонные приложения разделены), автомобильное производство является крупнейшей областью применения технологии 3D-печати, на которую приходится 16,4%. За ней следуют бытовая электроника и аэрокосмическая промышленность - 15,4% и 14,7% соответственно, как показано на рис. 1-16.
Исследование также показывает, что до 2020 года 3D-печать использовалась в основном для изготовления моделей - 24,6% приложений, в основном для проверки дизайна и функционального тестирования в процессе разработки различных продуктов, что делает этот рынок самым крупным для 3D-печати с момента ее появления.
Однако с 2020 года прямое производство конечных продуктов с использованием технологии 3D-печати увеличилось до 30,9%, как показано на рисунке 1-17, став крупнейшим направлением использования технологии 3D-печати. Это свидетельствует о значительном развитии 3D-печати от быстрого прототипирования до прямого производства конечных продуктов.
Экономист Карлота Перес считает, что каждая технологическая революция в промышленном цикле длится около 60 лет, первые 30 лет - это этап изобретения основополагающей технологии, а последние 30 лет - этап ускоренного применения технологии. С момента создания 3D Systems, первой компании по производству оборудования для 3D-печати в США в 1986 году, 2021 год знаменует собой начало последнего 30-летнего периода.
Поэтому ожидается, что применение технологии 3D-печати будет ускоряться, раскрывая все новые возможности применения и глубоко трансформируя смежные отрасли. В этом разделе мы расскажем о типичных областях применения технологии 3D-печати в биомедицине, аэрокосмической промышленности и промышленном производстве, а также обсудим ограничения и риски, связанные с будущим применением 3D-печати.
Исходя из сценариев применения, в настоящее время 3D-печать в биомедицине используется в основном для создания моделей предоперационного планирования, хирургических руководств, имплантатов и вспомогательных медицинских инструментов. Кроме того, биопечать для регенеративной медицины и тканеподобных органов представляет собой передовой рубеж исследований в области биомедицинской инженерии и является основным направлением для будущего развития и применения 3D-печати в биомедицине.
Модели предоперационного планирования предполагают преобразование данных КТ-изображения пациента в трехмерную модель с помощью технологии реконструкции и последующую материализацию модели с помощью 3D-печати. Эти модели позволяют получить трехмерную визуализацию патологии, решая проблемы понимания и оценки двухмерных секционных изображений.
Они предоставляют врачам интуитивно понятную и точную информацию о локализации заболевания, пространственном анатомическом строении, форме и объеме, помогая составлять сложные хирургические планы, проводить предоперационные репетиции и оценивать послеоперационные результаты, тем самым значительно повышая точность и безопасность операций.
Новейшие технологии 3D-печати позволяют создавать материалы, сочетающие мягкие и твердые текстуры, облегчающие хирургические разрезы и улучшающие тактильные ощущения хирургов. Это также способствует обучению и повышению квалификации молодых медицинских специалистов.
Краткая история болезни: 40-летняя пациентка более двух месяцев испытывала постоянные головные боли, сопровождавшиеся ухудшением зрения. При обследовании была обнаружена опухоль головного мозга, окруженная внутричерепными артериями, что позволило предположить хирургическое вмешательство, хотя и с высоким риском.
В больнице объединили снимки КТ и МРТ пациента, как показано на рисунке 1-18, и выполнили трехмерную реконструкцию, чтобы точно восстановить внутричерепную ситуацию пациента, включая череп, артерии, вены и опухоль, как показано на рисунке 1-19. Затем с помощью 3D-принтера WJP модели компании Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd. была произведена полноцветная 3D-печать реконструированной модели черепа, как показано на рис. 1-20.
С помощью этой 3D-модели врачи смогли четко проследить распределение кровеносных сосудов вокруг опухоли, что позволило им принимать интраоперационные решения. Определив кровеносные сосуды, окутывающие опухоль, хирурги смогли точно иссечь опухоль, защитив при этом важнейшие сосудистые структуры.
После 11-часовой операции менингиома в седловидной области мозга пациента была успешно удалена по частям, при этом окружающие ее двусторонние передние мозговые артерии, средние артерии и внутренние сонные артерии остались неповрежденными. Операция прошла с огромным успехом.
Краткая история болезни: У 56-летней пациентки диагностировали злокачественную опухоль печени и цирроз. Нормальная печень человека составляет около 1500 см³, но у пациентки она была всего 765 см³, с серьезными функциональными нарушениями. В больнице решили, что единственным эффективным методом лечения является пересадка печени, и после подбора подходящим донором оказался ее 21-летний сын.
Крайне важно было точно иссечь донорскую и реципиентную доли печени и аккуратно анастомозировать кровеносные сосуды и желчные протоки, что требовало высокой квалификации хирурга. В больнице была проведена трехмерная реконструкция на основе данных предоперационной КТ печени пациентки и ее сына, как показано на рис. 1-21(а) и 1-22(а) соответственно.
Реконструированные печени были распечатаны в масштабе 1:1 на 3D-принтере WJP модели Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd., как показано на рис. 1-21(b) и 1-22(b), что позволило точно оценить протяженность поражения и трехмерное пространственное соотношение с соседними органами и тканями, а также спланировать хирургический подход и места разрезов.
Операция прошла успешно, и жизнь матери была продлена благодаря печени ее сына.
Хирургические направляющие, разработанные в цифровом формате и изготовленные с помощью 3D-печати, являются ключевыми инструментами для переноса предоперационных планов в интраоперационное исполнение. Они помогают избежать травмы важных кровеносных сосудов и нервов, уменьшить кровопотерю и повысить безопасность операции.
Материалы, обычно используемые для печати таких изделий, включают высокополимерный нейлон и высокопрочные, эластичные смолы (например, направляющие для остеотомии, которые должны выдерживать пиление во время операции), прозрачные смолы с достаточной прочностью (например, направляющие для зубных имплантатов) и стандартные смолы или PLA материалы для направляющих, которые не требуют высокой прочности (например, направляющие для пункции нейронов крестца и направляющие для пункции мозговых кровоизлияний).
Технология 3D-печати позволяет создавать имплантаты, которые идеально соответствуют индивидуальным потребностям и могут быть успешно имплантированы в организм. Эти имплантаты могут быть изготовлены с контролируемыми размерами микропор, которые могут уменьшить модуль Юнга в металлический материалуменьшают нагрузку и способствуют интеграции в костную ткань, обеспечивая преимущества, не сравнимые с традиционными имплантатами.
Распространенным материалом для таких 3D-печатных имплантатов является титан порошок сплава, как показано на рис. 1-23 и 1-24. Для имплантатов, не требующих чрезмерной нагрузки и трения, таких как устройства для сращения межпозвоночных позвонков, черепные кости и небольшие суставы, например, нижнечелюстной сустав, исследователи изучают возможность использования новых материалов, таких как PEEK (рис. 1-25) и магниевые сплавы.
Краткая история болезни: В 2014 году у 12-летнего мальчика была диагностирована саркома Юинга с раковым поражением, расположенным в атлантовом позвонке, как показано на рис. 1-26. Стандартное международное лечение заключается в поддержке пустоты, оставшейся после иссечения ракового атланта, титановым сетчатым каркасом, зафиксированным на месте с помощью отверстий в сетке в сочетании с титановой пластиной и винтами спереди, чтобы достичь сращения позвонков и восстановить стабильность шейного отдела.
Однако опорная сила и площадь контакта титановой сетки ограничены, а ее устойчивость к вращению и различным изгибающим усилиям слаба. Наличие "стрессовой защиты" часто приводит к тому, что позвонки, прилегающие к сетчатому каркасу, разрушаются после операции, что затрудняет поддержание высоты межпозвоночного диска. Кроме того, толщина титановой пластины может вызвать у пациента трудности с глотанием.
После операции пациенту необходимо вставить штифты в голову и лопатку, а сверху и снизу установить скобу для иммобилизации головы. Во время отдыха голова не может касаться кровати, и это состояние должно сохраняться в течение 3-4 месяцев, а иногда и до полугода, причиняя пациенту сильную боль.
Пациента лечил профессор Лю Чжунцзюнь из отделения ортопедии Третьей больницы Пекинского университета (PUTH), и после двух операций с использованием заднего и переднего шейных подходов ему был установлен первый в мире 3D-печатный атлантический позвонок, как показано на рис. 1-27. Эта успешная операция позволила преодолеть недостатки традиционных методов лечения и спасти жизнь пациента.
Традиционные вспомогательные медицинские инструменты часто получают путем литья из гипса и низкотемпературного формования из термопластов. Однако из-за водопоглощения и усадки гипса может происходить деформация модели, что влияет на точность инструмента, а процесс производства слишком зависит от личного опыта специалиста.
Индивидуальные легкие средства реабилитации, изготовленные с помощью технологии 3D-печати на основе информации о поверхности тела, полученной с помощью оптического 3D-сканирования, в сочетании с данными КТ и МРТ пациента и компьютерного точного проектирования, лучше соответствуют эргономике. Они могут отвечать индивидуальным потребностям пациента и
как показано на рис. 1-28, где представлены различные типы 3D-печатных вспомогательных медицинских инструментов. Будущее развитие 3D-печатных персонализированных вспомогательных медицинских инструментов включает в себя новые типы протезов, компенсаторы слуха и речи, а также новые системы жизнеобеспечения инвалидов, такие как роботы-экзоскелеты.
Для печати таких изделий обычно используются высокополимерные нейлоновые материалы (например, различные ортезы, обладающие высокой прочностью и эластичностью), материалы TPU (например, различные виды биомеханических компенсаторов стопы), а также PLA или высокопрочные смолы (например, некоторые реабилитационные фиксаторы, не требующие приложения чрезмерных усилий).
Краткое описание истории болезни: в 2018 году у 14-летней пациентки был диагностирован сколиоз позвоночника с углом Кобба 13°, показанным на рентгенограмме позвоночника в полный рост, и она не получила соответствующего лечения. Контрольное обследование в январе 2020 года показало увеличение угла Кобба до 27°. Пациентка обратилась за лечением в Центр 3D-печати Девятой народной больницы Шанхая при Медицинской школе Шанхайского университета Цзяо Тун.
Ей был установлен 3D-печатный сколиозный ортез, и через шесть месяцев позвоночник пациентки был полностью исправлен. Прогрессирование сколиоза позвоночника пациентки показано на рис. 1-29.
Центр 3D-печати, исходя из особенностей пациента, снял трехмерные данные поверхности тела пациента с помощью 3D-сканера тела (Рисунок 1-30) и объединил их с данными рентгена для автоматизированного проектирования, создав полностью адаптированную модель сколиоза-ортеза. Далее она была материализована в сколиозный ортез посредством 3D-печати, как показано на рис. 1-31.
Благодаря полностью индивидуальному дизайну и полой структуре ортез при сколиозе был воздухопроницаемым и легким, что позволило пациенту носить его более 20 часов в день.
На международном уровне ведутся исследования и разработки недорогой, короткоцикловой, высокопроизводительной технологии 3D-печати для изготовления труднообрабатываемых, крупных и сложных металлических компонентов в аэрокосмической отрасли. Такие компании, как Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman, и такие институты, как Лос-Аламосская национальная лаборатория в США, вложили более двух десятилетий в непрерывные исследования и разработки.
В Китае команды под руководством академика Ван Хуамина из Бэйханского университета и профессора Хуан Вэйдуна из Северо-Западного политехнического университета также десятилетиями вели непрерывные исследования и добились инновационных результатов.
Например, команда академика Ванга первой в мире разработала ключевые технологии в области лазерной формовки, оборудования и применения крупных несущих компонентов из титанового сплава для самолетов, решив проблему формовки "крупных компонентов" и изготовив самые крупные и сложные основные несущие интегральные компоненты из титанового сплава для авиационной техники Китая, с комплексными механическими свойствами, достигающими или превышающими свойства кованых деталей.
Технология 3D-печати, как новая технология производства, обладает явными преимуществами в аэрокосмической области и очевидными преимуществами в сфере обслуживания, которые в основном отражаются в следующих аспектах:
Для аэрокосмического вооружения снижение веса - вечная тема исследований, поскольку оно не только повышает маневренность летательного аппарата во время полета, но и увеличивает грузоподъемность, экономит топливо и снижает стоимость полета.
Стремление к предельному облегчению и надежности аэрокосмической и военной техники делает производство крупных сложных интегральных конструкций и прецизионных сложных структурных компонентов особенно сложным, становясь одним из узких мест в развитии передовой аэрокосмической и военной техники.
Например, в новых самолетах, космических аппаратах и двигателях все чаще используются цельные структурные компоненты, что приводит к постоянному увеличению размеров и сложности отдельных компонентов. Кроме того, значительно увеличивается использование легированных материалов, таких как титановые сплавы, высокотемпературные сплавы и сверхвысокопрочные стали, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами горячей обработки и механической обработки.
Применение 3D-технологий позволяет оптимизировать сложные структуры деталей, обеспечивая легкость конструкции при сохранении эксплуатационных характеристик, что позволяет добиться снижения веса. Оптимизация структуры деталей также может привести к наиболее рациональному распределению напряжений, снижая риск возникновения усталостных трещин и тем самым увеличивая срок службы.
В то же время можно контролировать температуру благодаря достаточно сложной структуре внутренних каналов, достигая оптимального сочетания конструктивного дизайна и использования материалов.
В аэрокосмической отрасли многие компоненты, изготовленные с использованием традиционных методов производства, имеют низкий коэффициент использования материалов, обычно не превышающий 10%, а иногда всего 2% - 5%. Значительные потери материалов приводят к тому, что процессы механической обработки являются сложными, а производственные циклы - длительными.
Для труднообрабатываемых деталей цикл обработки может значительно увеличиться, что существенно удлиняет производственный цикл и, соответственно, повышает стоимость изготовления. Технология металлической 3D-печати, как технология, близкая к сетчатой форме, отличается высоким коэффициентом использования материала, а на стоимость изготовления не влияет внутренняя сложность деталей.
Если взять в качестве примера изготовление интегрального ротора с лопастями из титанового сплава для подъемного вентилятора самолета JSF, то при традиционном "субтрактивном" производстве заготовка весит 1500 кг, а после традиционного фрезерования конечная деталь весит 100 кг, в результате чего коэффициент использования материала составляет всего 6,67%, а цикл изготовления очень длительный, как показано на рис. 1-32. Однако при использовании технологии 3D-печати можно добиться экономии материала до 80%.
Одно из самых выдающихся преимуществ технологии 3D-печати заключается в том, что она позволяет напрямую изготавливать физические детали по 3D-моделям, разработанным сотрудниками отдела исследований и разработок, без необходимости механической обработки или изготовления пресс-форм, что значительно сокращает процесс производства высокопроизводительных крупногабаритных конструктивных элементов.
Например, при изготовлении рамы главного лобового стекла для китайского большого самолета C919, как показано на рис. 1-33, команда профессора Ван Хуамина из университета Бэйхан использовала самостоятельно разработанную технологию 3D-печати металла. С момента получения данных 3D-модели детали до доставки готовой детали для установки прошло всего 40 дней, а ее стоимость составила 1,2 млн юаней.
В отличие от этого, заказ детали из-за рубежа займет не менее 2 лет, а стоимость пресс-формы составит 13 миллионов юаней. Аналогично, для центрального лонжерона крыла самолета C919 длиной более 3 метров, как показано на рис. 1-34, традиционные методы производства потребовали бы использования сверхтоннажного пресса для штамповки, что требует много времени, трудозатрат и нерационального использования сырья.
Кроме того, на тот момент в Китае не было оборудования, способного производить такие крупные конструктивные элементы. Если бы деталь пришлось заказывать за границей, то период от заказа до установки занял бы более 2 лет, что серьезно замедлило бы ход НИОКР по самолету и повлияло бы на темпы внутреннего производства большого самолета.
Команда профессора Хуанга Вейдуна из Северо-Западного политехнического университета, используя самостоятельно разработанное оборудование и технологию 3D-печати металлов, изготовила деталь примерно за месяц. После того как деталь прошла эксплуатационные испытания в COMAC, она была успешно применена на первом прототипе китайского большого самолета C919.
В 1980-х и 1990-х годах при использовании традиционных методов производства на разработку истребителей нового поколения уходило не менее 10-20 лет, например, на создание истребителя J-10 ушло почти 10 лет. Благодаря применению технологии 3D-печати Китай всего за 3 года создал истребитель носимого базирования J-15, напрямую войдя в матрицу истребителей носимого базирования третьего поколения.
Несомненно, технология 3D-печати создает "китайскую скорость" в развитии ВВС.
Ремонт и обслуживание поврежденных компонентов аэрокосмического оборудования всегда были важной проблемой. Использование технологии 3D-печати Laser Engineered Net Shaping (LENS) для ремонта деталей представляет собой новый метод обслуживания аэрокосмического оборудования. Например, в случае с высокопроизводительными интегрированными лопатками турбины, если повреждается одна лопатка, то весь ротор турбины подлежит утилизации, а это прямой экономический ущерб, исчисляемый миллионами.
В настоящее время, основываясь на характеристиках послойной печати LENS, поврежденное лезвие можно рассматривать как специальную подложку. Выполняя лазерная облицовка Нанесение покрытия на локально поврежденный участок позволяет восстановить первоначальный вид детали, при этом она соответствует или даже превосходит эксплуатационные характеристики исходного материала.
Кроме того, благодаря управляемости процесса 3D-печати негативные последствия ремонта весьма ограничены. Для оборонных ведомств это означает, что эффективные решения могут быть предоставлены на месте, без необходимости наличия склада запасных частей, что значительно повышает эффективность ремонта деталей и снижает затраты на техническое обслуживание.
В будущем технология 3D-печати может быть развернута на переднем крае поля боя, обеспечивая прямую печать деталей на поле боя и устраняя промежуточные этапы производства, распределения и хранения.
В настоящее время ВМС США инициировали проект "Print the Fleet", в рамках которого разрабатывается ряд процедур для печати, квалификации и доставки деталей, а также оцениваются различные технологии и материалы 3D-печати для военного использования, чтобы достичь цели производства деталей самолетов на морских судах в море.
В будущем технология 3D-печати может быть развернута и на космических станциях, чтобы реализовать прямую 3D-печать деталей в космосе. В августе 2014 года НАСА доставило 3D-принтер, способный работать в вакууме, на Международную космическую станцию, где астронавты напечатали не только тестовые образцы, но и функциональные структурные компоненты.
Китай также провел свой первый эксперимент по 3D-печати на орбите в мае 2020 года и первым в мире осуществил космическую 3D-печать непрерывных композитных материалов, армированных углеродным волокном, как показано на рис. 1-35.
Ниже приведены три примера применения 3D-печати в аэрокосмической отрасли в Китае.
15 мая 2021 года в 07:18 посадочный аппарат "Тяньвэнь-1" и орбитальный аппарат отделились, успешно совершив мягкую посадку на поверхность Марса, как показано на рис. 1-36. После этого марсоход "Журун" успешно передал телеметрические сигналы. Двигатель переменной тяги 7500N, использовавшийся для посадки на Марс, был версией 2.0 двигателя, использовавшегося для посадки на Луну.
Усовершенствованный двигатель переменной тяги 7500N версии "Тяньвэнь-1" 2.0 имел те же характеристики и тягу, что и предыдущий двигатель 7500N лунного проекта "Чанъэ", но при этом имел на треть меньший вес и объем, а также более оптимизированную и компактную конструкцию, как показано на рис. 1-37.
Для этого рама стыковочного фланца двигателя впервые была напечатана на 3D-принтере цельной деталью, что позволило избежать деформации, вызванной удалением большого избытка материала из цельных прутков или поковок, а также эффективно снизить вес.
8 мая 2020 года в 13:49 возвращаемая капсула китайского испытательного пилотируемого космического корабля нового поколения, разработанного Китайской корпорацией аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation Space Technology Research Institute), успешно приземлилась в заданном районе на посадочной площадке Дунфэн (Dongfeng).
Успешное завершение полета испытательного аппарата ознаменовало собой создание прототипа китайского пилотируемого космического корабля нового поколения и значительный прорыв в ряде новых технологий в таких областях, как конструкция кабины, материалы и системы управления.
Одним из важных технологических прорывов стало проектирование и 3D-формовка интегрированной рамы из титанового сплава диаметром 4 м, что позволило достичь таких целей, как снижение веса, сокращение цикла и снижение стоимости. Успешное возвращение испытательного пилотируемого космического корабля нового поколения также ознаменовало успешное испытание технологии интегральной 3D-печати для негабаритных ключевых структурных компонентов.
На рис. 1-38 показана посадочная ситуация возвращаемой капсулы испытательного пилотируемого космического корабля нового поколения и ее негабаритная интегрированная рама из титанового сплава, полученная с помощью 3D-печати.
21 мая 2018 года с космодрома Сичан был успешно запущен ретрансляционный спутник "Чанъэ-4" "Цюэцяо". Его рабочая орбита в дальнем космосе поможет человечеству и дальше раскрывать тайны дальней стороны Луны. В условиях ограниченных возможностей запуска весовой индекс "Цюэцяо" был чрезвычайно строгим. Кронштейн реактивного колеса с перекосом, один из самых тяжелых компонентов спутника, был разработан для снижения веса.
Оптимизация топологии была выполнена с помощью программного обеспечения Inspire компании Altair, что позволило изменить философию проектирования с "проектирования структура продукта сначала проверка характеристик изделия" до "сначала определение характеристик изделия, а затем получение конечной структуры изделия путем оптимизации топологии", что позволяет добиться облегченной конструкции.
Далее с помощью 3D-печати из алюминиевого сплава было выполнено цельное производство, что позволило добиться легкого веса. На рис. 1-39 показано печатное изделие кронштейна реактивного колеса для спутника-ретранслятора "Цюэцяо" и его монтаж на спутнике.
Изначально технология 3D-печати в промышленном производстве использовалась в основном для создания прототипов при разработке изделий, проверки дизайна, структуры и тестирования сборки. Например, перед началом массового производства нового продукта необходимо оценить его, чтобы оперативно выявить любые проблемы в конструкции.
Она может имитировать реальные условия эксплуатации изделия при сборке, проверке на наличие помех, функциональном тестировании, а также при проверке технологичности и сборки. Кроме того, он может использоваться для изготовления пресс-форм, где с помощью технологии 3D-печати создаются мастер-формы для вакуумного литья и литья по выплавляемым моделям, формы для литья под давлением и т. д.
Затем они комбинируются с традиционными производственными процессами для изготовления форм для массового производства. После более чем 30 лет развития технология 3D-печати сегодня широко используется в промышленности для прямого изготовления конечных деталей, включая прямую печать некоторых пресс-форм. Она также позволяет печатать литьевые формы с конформным охлаждением, которые имеют значительные преимущества перед традиционными литьевыми формами.
Традиционная разработка и проверка изделий, как правило, связана с обработкой на станках с ЧПУ, которые имеют ограничения по обработке сложных изделий с полыми, выемчатыми, высокоточными, тонкостенными или нестандартными структурами. Даже если ЧПУ может обрабатывать некоторые из них, его стоимость очень высока, что делает его более подходящим для конструктивно простых, толстых и тяжелых деталей.
3D-печать обладает такими преимуществами, как высокая скорость обработки, одноразовое формование и стоимость, не зависящая от сложности изделия. В настоящее время она широко используется в различных отраслях промышленности для проверки дизайна, проверки сборки и тестирования небольших партий при разработке продукции. Распространенные материалы для 3D-печати, используемые для разработки и проверки изделий, включают фотополимерные смолы и высокополимерные нейлоновые материалы.
Из фотополимерных смол получаются детали с гладкой поверхностью, но менее прочные, в то время как высокополимерные нейлоновые материалы подходят для изделий, требующих повышенной прочности и жесткости. На рисунке 1-40 показаны изображения некоторых примеров разработки и проверки изделий с помощью 3D-печати.
При традиционных методах обработки в пластиковых пресс-формах обычно используются прямолинейные каналы охлаждения, которые неэффективны для охлаждения тонкостенных или глубокополостных деталей, как показано на рис. 1-41(a). С помощью технологии 3D-печати металлов можно напрямую печатать пресс-формы с конформными каналами охлаждения, как показано на рис. 1-41(b), что гарантирует отсутствие "мертвых зон" в охлаждении пресс-формы.
Литейные формы с конформным охлаждением имеют следующие неоспоримые преимущества:
① Они могут эффективно повысить эффективность охлаждения, сократить время охлаждения и повысить эффективность производства инъекций, в целом улучшив ее на 20% до 40%.
② Они улучшают равномерность охлаждения, уменьшают коробление и деформацию продукта, стабилизируют размеры, тем самым повышая качество продукции.
Пластиковая деталь типовой панели заказчика была изготовлена с использованием металлического 3D-печатного конформного охлаждающего сердечника. Время цикла изготовления пресс-формы сократилось с 55 секунд до 43 секунд, а производительность увеличилась с 1300 штук в день до 1670 штук в день, повысив эффективность производства на 28%. Ежедневный доход от производства детали изначально составлял 39 000 юаней, а после использования 3D-печати увеличился до 50 100 юаней.
После вычета расходов на материалы для литья, амортизацию и электроэнергию ежедневная прибыль увеличилась на 2 100 юаней. Один комплект таких пресс-форм (работающих 180 дней в году) может принести дополнительную прибыль в размере 2 100 x 180 = 378 000 юаней. При использовании десяти комплектов прибыль может увеличиться на 3,78 млн юаней, что свидетельствует об очень хорошей рентабельности, как показано в таблице 1-1.
Таблица 1-1: Сравнение производства до и после использования 3D-печати металла для изготовления конформных охлаждающих сердечников
| Предмет сравнения | Традиционный | 3D-печать | Примечание |
| Производственный цикл (секунды) | 55 | 43 | |
| Производительность (шт./день) | 1300 | 1670 | Из расчета 20 часов работы в день |
| Цена за единицу (юань) | 30 | 30 | |
| Доход (юань/день) | 39,000 | 50,100 | Увеличение прибыли на 2 100 юаней в день |
Лопасть вентилятора сплит-кондиционера заказчика, как показано на рис. 1-42(a), первоначально имела сердечник из бериллиевой меди в средней части пресс-формы, как показано на рис. 1-42(b). Материал из бериллиевой меди обладает быстрой теплопроводностью и хорошим охлаждающим эффектом, но он не является износостойким и имеет срок службы, составляющий четверть срока службы стальных деталей, требуя замены примерно через 30 000 изделий, что увеличивает объем работы по обслуживанию пресс-формы.
Позже был использован 3D-печатный стальной сердечник пресс-формы, как показано на рис. 1-42(c), который, благодаря конструкции разумного конформного прохода для охлаждающей воды, может производить более 120 000 изделий, а также повышает эффективность производства литья под давлением. Всего в пресс-форме 66 комплектов; через год все они были заменены на 3D-печатные стальные сердечники, что привело к общей экономии средств в размере более 300 000 юаней, как показано в таблице 1-2.
Таблица 1-2: Сравнительная таблица затрат на использование деталей сердечника из бериллиевой меди, изготовленных методом литья, и деталей сердечника, напечатанных методом 3D.
| Тип | Срок службы | Цена за единицу (юань) | Годовой объем производства лопастей вентилятора (10 000 шт.) | Количество замен | Стоимость оси (юань) | Стоимость машиниста (юань) | Стоимость настройки (юаней) | Совокупная стоимость (юаней) |
| Детали из бериллиевой меди | 30 000 штук | 400 | 2,200 | 768 | 768 x 400 = 307,200 | 768 x 200 = 153,600 | 768 x 150 = 115,200 | 576,000 |
| 3D-печатные детали | 120 000 штук | 480 | 2,200 | 192 | 192 x 480 = 92,160 | 192 x 200 = 38,400 | 192 x 150 = 28,800 | 159,360 |
Инвестиционное литье, также известное как точное литье, часто использует восковой материал для создания одноразовых шаблонов, поэтому оно обычно известно как "литье по выплавляемым моделям". Восковые модели для литья по выплавляемым моделям часто изготавливаются с помощью 3D-печати.
Инвестиции литейное производство Процесс изготовления ювелирного изделия проходит через различные этапы, показанные на рис. 1-43: (a) 3D-модель изделия; (b) восковой шаблон печатается с помощью 3D-принтера для воска; (c) восковая опора растворяется; (d) получается готовая восковая модель; (e) создается восковое дерево; (f) восковое дерево помещается в металлическую форму; (g) гипс заливается для формирования гипсовой формы и подается вакуум; (h) гипсовую форму запекают при высокой температуре, чтобы выжечь воск, получая гипсовую негативную форму; (i) плавят металл; (j) металл заливают в гипсовую форму, а гипс растворяют в воде; (k) полуфабрикат промывают в соляной кислоте и сушат; (l) металлическое ювелирное дерево разбирают; (m) проводят шлифовку и полировку; (n) получают готовое ювелирное изделие.
(a) 3D-модель изделия
(b) Восковой узор, напечатанный на 3D-принтере (белая часть - вспомогательный материал)
(c) Растворение восковых опор
(d) Получение готового воскового рисунка
(e) Создание воскового дерева
(f) Помещение воскового дерева в металлическую форму
(g) Заливка гипса для формирования гипсовой формы и применение вакуума
(h) Высокотемпературное запекание в печи для выжигания воска и получения гипсовой негативной формы
(i) Плавление металла
(j) Заливка металла в гипсовую форму и растворение гипса водой
(k) Промывка полуфабриката соляной кислотой и сушка
(l) Демонтаж металлического ювелирного дерева
(m) Шлифовка и полировка
(n) Получение готового ювелирного изделия
Литье в песчаные формы предполагает создание форм и стержней из литейного песка (обычно кварцевого) и связующего вещества для получения металлических отливок. Этот традиционный процесс обычно требует ручного или полуручного создания деревянных шаблонов для песчаных форм и стержней.
Однако с помощью технологии 3D-печати песчаные формы и стержни можно печатать непосредственно по проектным данным, что значительно повышает эффективность создания форм, сокращает производственные циклы, снижает производственные затраты и обеспечивает более высокую точность по сравнению с традиционным литьем в песчаные формы. Это также позволяет отливать детали с тонкими стенками и сложной внутренней структурой.
Путем литья в песчаную форму был изготовлен тонкостенный корпус сцепления с размерами 465 мм × 390 мм × 175 мм и весом 7,6 кг, разделенный на верхнюю и нижнюю части. Немецкая компания Voxeljet использовала высококачественный песок GS09 для 3D-печати песчаной формы с очень тонкими стенками, как показано на рис. 1-44(a). Затем деталь была отлита из сплава G-AlSi8Cu3, как показано на рис. 1-44(b) и (c).
Весь процесс производства занял менее 5 дней, а изготовленный картер сцепления имел те же характеристики, что и детали, выпущенные позже серийно после прохождения испытаний, что обеспечило заказчику значительное преимущество по времени и стоимости.
Впускной коллектор, расположенный между корпусом дроссельной заслонки и впускными клапанами двигателя, называется коллектором, потому что воздух после поступления через дроссельную заслонку разделяется. Коллектор должен как можно более равномерно распределять воздушно-топливную смесь или чистый воздух по каждому цилиндру, что означает, что длина газовых каналов внутри коллектора должна быть как можно более одинаковой.
Чтобы уменьшить сопротивление газовому потоку и увеличить всасывание, внутренние стенки впускного коллектора должны быть гладкими. Впускные коллекторы гоночных автомобилей имеют множество зон сопряжения, что создает трудности при литье в песок и последующей механической обработке. Чтобы соответствовать точным требованиям сложности, Voxeljet разделила модель впускного коллектора на четыре части для 3D-печати песчаных форм, что позволило избежать проблем с деформацией при сборке.
Размеры коллектора составляли 854 мм × 606 мм × 212 мм, общий вес песчаной формы - около 208 кг, как показано на рис. 1-45(a), а время печати - 15 часов. Сайт литой алюминиевый сплав Впускной коллектор весил около 40,8 кг, как показано на рис. 1-45(b).
Силиконовое литье - это процесс, в котором прототип детали используется для создания силиконовой формы под вакуумом, в которую заливается жидкая смола для копирования оригинальной детали. Эти копии по своим характеристикам близки к изделиям, изготовленным методом литья под давлением, и могут быть окрашены в соответствии с требованиями заказчика.
Материалы заливаются вакуумным методом или методом заливки под низким давлением. Вакуумная заливка используется в основном для производства мелких и средних деталей, таких как корпуса бытовой электроники, а заливка под низким давлением - для крупных деталей, таких как автомобильные бамперы.
Традиционно прототипы деталей для силиконовых форм создавались с помощью обработки на станках с ЧПУ, тогда как 3D-печатные прототипы для силиконовых форм обычно изготавливаются быстро с использованием материалов из фотополимерной смолы в процессе SLA. Каждая силиконовая форма может производить около 10-20 деталей с точностью ±0,2 мм/100 мм, минимальной толщиной отливки 0,5 мм, оптимальной - 1,5-5 мм, а максимальный размер отливки - около 2 метров.
Процесс протекает следующим образом:
① Создание прототипа: Прототип создается на основе 3D-данных продукта с помощью 3D-печати.
② Создание силиконовой формы: После создания прототипа изготавливается каркас пресс-формы, прототип закрепляется на месте, создаются литники и вентиляционные отверстия. Литник - это входное отверстие для материала, также известное как "ворота". Размер и форма литника должны быть разработаны с учетом текучести материала и размеров детали.
Жидкий силикон, очищенный от вакуума, заливается в форму, чтобы полностью покрыть изделие. Затем форма запекается для ускорения затвердевания силикона, и через 8 часов силиконовая форма разрезается на две половины, прототип удаляется, и создание силиконовой формы завершается.
③ Вакуумное литье: После закрытия силиконовой формы она помещается в вакуумную литейную машину, где из нее откачивается воздух или создается среда с низким давлением, а затем в нее впрыскивается материал.
После заполнения материал отверждается в течение 30-60 минут при постоянной температуре 60-70°C, затем распаковывается. При необходимости проводится вторичное отверждение в течение 2-3 часов при температуре 70-80°C. После отверждения материала форму извлекают, открывают и получают тиражированный продукт. Этот цикл повторяется для производства небольших партий реплик.
Технология силиконового формования быстрее, дешевле и имеет более короткий производственный цикл по сравнению с технологией литья под давлением, что значительно сокращает расходы на разработку и сроки проведения НИОКР.
Он широко используется при разработке и проектировании автомобильных деталей, при производстве небольших партий пластиковых деталей для тестирования производительности и дорожных испытаний, таких как корпуса кондиционеров, бамперы, воздуховоды, герметичные вентиляционные отверстия, впускные коллекторы, центральные консоли и приборные панели. На рисунке 1-46 показаны два примера силиконовых форм и реплицированных деталей, изготовленных по 3D-печатным прототипам.
Технология 3D-печати все чаще используется для прямого производства конечных деталей или продуктов в различных областях, таких как аэрокосмическая, военная, медицинская, автомобильная, бытовая техника и потребительская электроника. В автомобильной промышленности исследователи и компании постоянно экспериментируют с прямым производством деталей и даже целых автомобилей с помощью 3D-печати.
Например, Ford Motor Company имеет около 100 различных 3D-принтеров на более чем 30 заводах по всему миру и инвестирует в эту технологию уже несколько десятилетий. Ford использует 3D-печать не только для разработки и проверки, но и для производства готовых деталей и инструментов.
Другие автомобильные гиганты, такие как Mercedes, BMW, Audi, Volkswagen, Toyota, Cadillac, Tesla, Ferrari, Lamborghini и Porsche, также широко применяют 3D-печать в разработке и производстве своих автомобилей.
Облегчение автомобилей - это глобальная тенденция автомобильной промышленности, и в будущем стремление к облегчению транспортных средств будет становиться все более экстремальным. Облегчение автомобилей направлено на значительное снижение снаряженной массы автомобиля при обеспечении прочности и безопасности, повышении мощности и запаса хода, снижении расхода топлива, уменьшении загрязнения выхлопными газами и даже улучшении управляемости и безопасности автомобиля.
Металлические 3D-печатные автомобильные детали на 40-80% легче традиционных, что позволяет снизить выбросы CO2 на 16,97 г/км. Некоторые легкие детали имеют сложную внутреннюю решетчатую структуру, которая снижает вес и одновременно повышает производительность.
Облегчение включает в себя материалы, конструкцию и технологические аспекты, такие как использование высокопрочной стали, титановых сплавов и алюминиевые сплавы; оптимизация конструкции, интегральных и топологических решений; использование передовых производственных процессов для улучшения характеристик деталей и достижения большего снижения веса.
По мере развития технологии 3D-печати все большее количество автомобильных деталей может быть изготовлено и использовано напрямую, и 3D-печать способна вызвать новую волну модернизации в автомобильной промышленности.
BMW Group неизменно является пионером в освоении технологий 3D-печати в автомобильной промышленности. В BMW i8 Roadster технология 3D-печати используется для изготовления металлического кронштейна откидного верха, который применяется непосредственно в серийном производстве, как показано на рис. 1-47(a).
Этот напечатанный на 3D-принтере металлический кронштейн соединяет крышку кабриолета с пружинным шарниром, облегчая складывание и раскладывание крыши без дополнительных мер по шумопоглощению, таких как резиновые демпферы или более мощные (и тяжелые) пружины и приводы. Кронштейн должен поднимать, толкать и тянуть весь вес крыши, поэтому он имеет сложную геометрию, которую невозможно достичь путем литья.
В окончательном варианте была создана легкая решетчатая конструкция с использованием технологии 3D-печати металла, оптимизирующая поддержку крыши при минимизации смещения, чтобы предотвратить обрушение крышки при открывании, как показано на рис. 1-47(b). Этот 3D-печатный кронштейн получил премию Altair Enlighten Award 2018 года, которая присуждается за значительные достижения в области легких технологий, и привлек большое внимание к своему инновационному дизайну на церемонии награждения.
Еще одна конечная 3D-печатная деталь, используемая непосредственно в BMW i8 Roadster, - направляющая окна, как показано на рис. 1-48. Благодаря нейлоновой 3D-печати направляющая была разработана и запущена в массовое производство всего за пять дней, причем за 24 часа было изготовлено более 100 направляющих для окон. Эта деталь устанавливается внутри дверей BMW i8 Roadster, обеспечивая плавную работу окон.
Согласно общедоступной производственной информации BMW, в 2018 году вес BMW i8 Roadster был снижен на 44%. На сегодняшний день компания произвела более миллиона деталей с помощью 3D-печати. Только в 2018 году объем производства производственного центра 3D-печати BMW Group превысил 200 000 деталей, что на 42% больше, чем в предыдущем году.
Bugatti Chiron способен разогнаться с 0 до 400 км/ч всего за 42 секунды, раздвигая границы физики. Успех Bugatti обусловлен постоянной оптимизацией систем и успешным применением новых материалов и процессов. В частности, тормоза нового Chiron - самые мощные в мире, с восемью и шестью поршнями в передних и задних суппортах соответственно.
Ранее тормозные суппорты для Bugatti Chiron изготавливались из высокопрочного алюминиевого сплава и весили 4,9 кг. Новые суппорты были структурно оптимизированы на основе принципов биомимикрии и напечатаны 3D-печатью из титанового сплава аэрокосмического класса, весящего всего 2,9 кг, что на 40% меньше веса, как показано на рис. 1-49.
Разработка новых суппортов была невероятно быстрой: от первоначальной концепции до первого напечатанного компонента прошло всего три месяца. Самой трудоемкой частью было моделирование и оптимизация прочность и жёсткость нового дизайна, а затем моделирование процесса печати для обеспечения бесперебойной работы.
Штангенциркуль длиной 41 см, шириной 21 см и высотой 13,6 см был напечатан с помощью четырехлазерной плавильной системы, и его печать заняла 45 часов. После печати деталь и опорная плита были подвергнуты термообработке при температуре 700°C в печи отжиг Печь и охлаждение в печи для устранения остаточных напряжений и обеспечения стабильности размеров - этот процесс занял 10 часов.
Затем деталь была удалена с помощью проволочной резки, опоры были удалены, а деталь была отшлифована и отполирована с использованием комбинации физических и химических методов для улучшения усталостная прочность и повысить долговечность при последующей эксплуатации автомобиля. Наконец, обработка резьбы (для соединения поршней) была выполнена на фрезерном станке и заняла 11 часов.
Несмотря на то, что технология 3D-печати за время своего распространения продемонстрировала значительные преимущества в применении, она также сталкивается с многочисленными ограничениями и рисками. Только четко понимая, решая или избегая эти проблемы, 3D-печать сможет в полной мере использовать свои преимущества и продолжать расширять сферу применения и области.
В настоящее время большинство 3D-принтеров имеют следующие существенные недостатки: Во-первых, размеры оборудования невелики, как правило, размеры печати сосредоточены в районе 400 мм × 400 мм × 40 мм, и лишь немногие превышают 1000 мм. Во-вторых, эффективность относительно низка, время печати деталей велико, а стоимость высока. В-третьих, шероховатость поверхности и точность размеров еще не идеальны.
Например, при точном литье можно добиться шероховатости поверхности лучше Ra3,2 мкм и даже ниже Ra1,6 мкм, в то время как лучший уровень для лазерной 3D-печати металлических деталей в настоящее время составляет около Ra6,4 мкм, обычно выше Ra10 мкм, а для 3D-печати с порошковым слоем электронным лучом шероховатость поверхности составляет Ra20-30 мкм.
В-четвертых, материалы ограничены; каждый тип процесса 3D-печати ограничивается очень ограниченным количеством или типами материалов, что не позволяет удовлетворить требования некоторых областей.
В таблице 1-3 представлены основные производители оборудования для СЛМ и их параметры, как отечественные, так и зарубежные.
| Компания/школа | Типовые модели оборудования | Тип лазера | Мощность/В | Строительная оболочка/мм | Диаметр луча/мкм |
| EOS | M280 | Волокно | 200/400 | 250×250×325 | 100~500 |
| Renishaw | AM250 | Волокно | 200/400 | 250×250×300 | 70~200 |
| Концепция | M2 cusing | Волокно | 200/400 | 250×250×280 | 50~200 |
| Решения SLM | SLM 500HL | Волокно | 200/500 | 280×280×350 | 70~200 |
| Южно-Китайский технологический университет | Дметалл-240 | Полупроводник | 200 | 240×240×250 | 70~150 |
| Хуачжунский университет науки и технологий | HRPM-1 | YAG | 150 | 250×250×400 | Примерно 150 |
Работники, обслуживающие металлические 3D-принтеры или занимающиеся постобработкой, обычно контактируют с металлическими порошками размером менее 100 микрон. Эти мелкие частицы могут легко попасть в легкие или на слизистые оболочки, вызывая респираторные или неврологические повреждения. Для снижения этих рисков необходимо носить защитную одежду и противогазы.
Кроме того, для 3D-печати металлов часто требуются инертные газы, такие как аргон или азот, чтобы предотвратить окисление в процессе обработки. Если происходит утечка этих инертных газов, они представляют серьезную опасность, поскольку не обнаруживаются человеческим организмом и могут быть вдыхаемы без ведома жертвы. Воздух, которым мы дышим, содержит 21% кислорода; падение его содержания ниже 19,5% в результате утечки может привести к кислородному голоданию и причинить вред здоровью.
Это особенно вероятно в закрытых помещениях, поэтому пользователи металлических 3D-принтеров должны знать об этой потенциальной опасности и принимать профилактические меры.
В цехах металлической 3D-печати содержащиеся в воздухе порошки таких металлов, как титан, алюминий и магний, могут стать концентрированными и, столкнувшись с источником воспламенения, загореться или даже взорваться. Чем мельче порошок, тем больше он подвержен горению. Поэтому при хранении, переработке и последующей обработке металлических порошков необходимо избегать источников воспламенения и статического электричества.
Кроме того, разлив порошка может представлять опасность для окружающей среды. В 2014 году Управление по охране труда и здоровья (OSHA) США сообщило об инциденте, связанном с нарушением техники безопасности на предприятии по 3D-печати металлов, где не было надлежащего противопожарного оборудования, что привело к ожогам оператора. Хотя пожар возник в результате неправильного обращения с оборудованием, этот инцидент все равно служит важным напоминанием о безопасности.
Технология 3D-печати способствует технологическому прогрессу и обеспечивает удобство, однако в различных областях применения она также создает риски, которые заслуживают пристального внимания.
Например, 3D-печать огнестрельного оружия может представлять риск для личной безопасности и общественного порядка; 3D-печать лекарств может представлять риск для контроля над наркотиками и здоровья; 3D-печатные товары могут нарушать торговые марки, авторские права и права интеллектуальной собственности, и даже 3D-печать может представлять риск для безопасности личной информации, сохранности имущества и этических норм.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO