Будущее 3D-печати: Тенденции, формирующие индустрию | MachineMFG

Будущее 3D-печати: Тенденции, формирующие индустрию

0
(0)

(1) Аспект данных

Технология 3D-печати - это цифровой производственный процесс, в котором тенденции развития данных отражаются в двух направлениях:
Во-первых, эволюция методов наслоения. Ранние цифровые методы наслоения и планирование траектории напрямую определяют эффективность и точность последующего физического наслоения.

3D-печать

В настоящее время в 3D-печати используется в основном простая плоскостная нарезка, но такие университеты, как Университет Дейтона и Стэнфордский университет, проводят исследования в области обработки данных с упором на методы наслоения, пытаясь перейти от традиционной двумерной плоскостной нарезки к конформной нарезке криволинейных поверхностей.

В Китае этот исследовательский план был включен в "Ключевые специальные проекты по аддитивному производству и лазерному производству" Министерства науки и технологий в 2018 году.

Во-вторых, диверсификация источников данных. 3D-модели для печати могут быть получены с помощью методов 3D-моделирования или обратного проектирования, даже с использованием данных компьютерной томографии и цифровых камер для реконструкции модели, которые все чаще используются в 3D-печати. Однако при этом происходит некоторое искажение данных, поэтому необходимы дальнейшие исследования.

(2) Материальный аспект

Продвижение 3D-печати все больше зависит от развития материалов, и здесь есть две важные тенденции:
Во-первых, тканеинженерные материалы. На основе сосудистых и нагруженных клетками биоматериалов конструирование живых тканей и органов является наиболее важным направлением развития материалов для 3D-печати и наиболее ожидаемой областью применения.

Во-вторых, специальные функциональные материалы. Материалы с особыми электрическими и магнитными свойствами, такие как сверхпроводники и магнитные носители информации, а также градиентные функциональные материалы, также находятся в центре внимания исследований и разработок материалов для 3D-печати и представляют собой передовые приложения в промышленной сфере.

(3) Структурный аспект

Механическая структура 3D-принтеров также играет важную роль, определяя точность, эффективность и сферу применения, и имеет две важные тенденции развития:
Во-первых, увеличение размера. Ограничение размера печати всегда было слабым местом оборудования для 3D-печати.

Увеличение размера механической структуры 3D-принтеров при сохранении точности позволяет повысить общую производственную мощность, избежать сегментации моделей для повышения эффективности печати и значительно расширить область применения. Анализ продуктовых линеек крупнейших компаний за последние годы выявил тенденцию к увеличению размеров производства.

Дальнейшее исследование показало, что максимальный размер печати различных типов 3D-принтеров этих компаний не превышает 1 метра. Некоторые китайские компании пытаются разработать крупногабаритные принтеры и уже заметили благоприятную реакцию рынка.

Во-вторых, интеграция с традиционными методами производства. Сюда входит эффективная и глубокая интеграция с такими традиционными методами, как формовка, литье, ковка и электрохимическая прецизионная обработка.

В 2018 году министерство науки и технологий разработало "Ключевые специальные проекты по аддитивному производству и лазерному производству", включающие такие исследовательские проекты, направленные на содействие расширению возможностей развития 3D-печати в традиционной обрабатывающей промышленности и расширение сфер применения самой 3D-печати.

(4) Производственные модели

Во-первых, появление моделей "распределенного производства". По мере того как 3D-печать становится все более экономичной и технологически доступной, она приобретает тенденцию к повсеместному распространению, в результате чего каждый домохозяйство может стать владельцем и пользователем 3D-принтера, что превращает его в инструмент и платформу для социальных инноваций, краудфандинга и краудсорсинга. Это приводит к новой форме социального поведения и появлению "распределенного производства".

По сути, распределенное производство переосмысливает весь производственный процесс, кардинально меняя цепочку спроса и предложения, включая потребительские модели.

Во-вторых, появляется философия дизайна "функция превыше всего". Традиционное производство, ограниченное сложностью деталей, требовало от дизайнеров учитывать целесообразность и стоимость. Однако при проектировании с помощью 3D-печати можно игнорировать сложность изделия и сосредоточиться исключительно на необходимых функциях, что приводит к созданию промышленных продуктов, ранее немыслимых.

По мере накопления этих технологий они произведут революцию в производстве, особенно в производстве сложных и точных компонентов в таких отраслях, как аэрокосмическая, судостроительная и автомобильная.

Философия 3D-печати, основанная на принципе "функция превыше всего", расширяет творческие и инновационные возможности дизайнеров изделий, не ограничиваясь традиционными процессами и производственными ресурсами, и стремится к безграничному творчеству в рамках парадигмы "дизайн равен производству" и "дизайн равен продукту".

Таким образом, оптимальные конструктивные решения могут быть использованы без учета проблем с механической обработкой, что позволяет решить проблемы производства высококлассных, сложных и прецизионных компонентов. Благодаря высокой степени интеграции цифрового проектирования, производства и анализа в 3D-печати, эта философия также значительно сокращает цикл разработки новых продуктов и снижает затраты на НИОКР, обеспечивая "дизайн сегодня, продукт завтра".

В-третьих, большое внимание уделяется "микро- и нано-производству". Поскольку применение 3D-печати распространяется от макро- до микро- и нанопроизводства, эта форма производства будет играть важную роль. В настоящее время микроэлектронные процессы, используемые для производства датчиков, требуют изготовления пресс-форм и обработки пластин, что означает инвестиции в миллиарды, а то и десятки миллиардов долларов в производственную линию.

Для специализированных датчиков, которых требуется всего несколько сотен штук, такие огромные предварительные инвестиции делают мелкосерийное производство нецелесообразным. 3D-печать может полностью удовлетворить потребности такого микро- и нано-производства. Исследователи из Западного университета в Канаде разработали имплантируемое устройство, контролирующее состояние сердца пациентов, изготовленное с помощью технологии 3D-печати.

Эта беспроводная имплантируемая система объединяет в себе датчик артериального давления и монитор сердечно-сосудистого давления (включая стент), при этом ее объем составляет всего 2,475 см³, а вес - чуть более 4 граммов.

(5) Самоэволюция

В будущем 3D-печать перерастет в 4D- и 5D-печать. Основываясь на 3D-печати, эти методы учитывают изменения со временем, позволяя моделям постепенно изменять форму и функции, что приведет к так называемой 4D- и 5D-печати.

Во-первых, 4D-печать позволяет напечатанным моделям менять форму с течением времени. Как правило, при печати модель может быть плоской, но постепенно деформируется под воздействием температуры, магнитных полей и других факторов окружающей среды. К преимуществам можно отнести упрощение процесса 3D-печати и легкую интеграцию напечатанных моделей в устройства.

Во-вторых, 5D-печать позволяет моделям менять свою функцию и форму с течением времени после печати. Эксперименты с 5D-печатью костей уже были успешными на животных. Если эта технология достигнет зрелости и получит широкое распространение, ее влияние на общество будет намного больше, чем у интеллектуального производства, 3D-печати или 4D-печати.

(6) Перспективы применения

Очевидно, что 3D-печать обладает большим потенциалом для приложений, которые полностью персонализированы или производятся небольшими партиями.

Во-первых, область биомедицины является ярким примером персонализированных приложений. В 2016 году в "Руководстве по содействию здоровому развитию фармацевтической промышленности", выпущенном Главным управлением Государственного совета, подчеркивалась необходимость содействия применению технологий биопечати и чипов данных в имплантируемых продуктах.

В "13-м пятилетнем плане" развития национальных стратегических новых отраслей, опубликованном Государственным советом, подчеркивается, что использование аддитивного производства (3D-печати) и других новых технологий позволит ускорить инновации и индустриализацию в области восстановления тканей и органов, а также имплантируемых медицинских устройств.

9 февраля 2021 года Министерство промышленности и информационных технологий опубликовало проект плана развития индустрии медицинского оборудования (2021-2025 гг.), в котором поощряется разработка новых продуктов "3D-печать + медицина здоровья". В нем пропагандируется развитие персонализированной настройки в медицинских приборах, реабилитационном оборудовании, имплантатах и восстановлении мягких тканей и подчеркивается применение технологии 3D-печати в различных секторах.

План также предусматривает применение передовых материалов и технологий 3D-печати для улучшения биосовместимости и механических свойств таких изделий, как сосудистые стенты, ортопедические имплантаты и зубные имплантаты.

Он поддерживает межсекторное сотрудничество, объединяя традиционное медицинское оборудование с новыми технологиями, такими как 5G, искусственный интеллект, промышленный интернет, облачные вычисления и 3D-печать, чтобы способствовать разработке оригинального интеллектуального медицинского оборудования и продвижению интеллектуальных облачных услуг в области медицины и здравоохранения.

Это говорит о том, что с точки зрения национальной политики "3D-печать + медицина" является актуальной темой исследований в последние годы, привлекающей значительное внимание и поддержку, а также демонстрирующей огромный потенциал развития. Это также отражает стремление Китая заботиться о здоровье и благополучии своих граждан.

Во-вторых, аэрокосмическая отрасль представляет собой мелкосерийное производство. Аэрокосмические компоненты обычно производятся в меньших количествах, чем коммерческая продукция, и, как правило, имеют сложные конструкции, изготовленные из высокопрочных, труднообрабатываемых и дорогостоящих сплавов.

Очевидно, что 3D-печать способна оказать значительное влияние на этот сектор. Как на внутреннем, так и на международном уровне на 3D-печать в этих двух областях возлагаются большие надежды, что наглядно демонстрирует план исследований "Ключевые специальные проекты по аддитивному и лазерному производству", реализованный в период "13-й пятилетки".

(7) Фундаментальная наука

Очевидно, что, основываясь на базовых принципах аддитивного производства, фундаментальные теоретические исследования продолжают стимулировать развитие технологии 3D-печати. Следующие пять научных областей постепенно привлекают широкое внимание ученых как внутри страны, так и за рубежом.

Во-первых, это изучение сильного неравновесного затвердевания в обработка металлов давлением. Время взаимодействия материала и источника энергии в процессе 3D-печати чрезвычайно мало, что приводит к мгновенным циклам плавления-затвердевания.

Для металлических материалов такие неравновесные механизмы затвердевания не могут быть полностью объяснены традиционными равновесными теориями затвердевания, поэтому создание теории затвердевания металлов при сильных неравновесных условиях является важной научной проблемой, которую необходимо решить в области 3D-печати.

Во-вторых, это разработка новых механизмов для 3D-печати в экстремальных условиях. Поскольку насущная потребность человечества в освоении космического пространства продолжает расти, технология 3D-печати находит все большее применение в области освоения космоса.

Существует даже желание осуществить 3D-печать в космосе, что делает изучение механизмов 3D-печати в таких экстремальных условиях, а также срока службы и механизмов отказа компонентов в этих условиях особенно важным.

В-третьих, это механизм 3D-печати градиентных материалов и структур. 3D-печать - это технология производства, которая объединяет структуру и функцию, позволяя непрерывно изменять градиент в состав материала и сочетание нескольких структур в одном компоненте. Реализация таких конструкций ставит задачи механики материалов и структурной механики.

В-четвертых, персонализированная 3D-печать тканей и органов и принципы функциональной регенерации. Будь то поддержание жизнеспособности живых организмов в процессе производства или изучение механизмов воссоздания функций органов в процессе их использования, эти исследования все еще находятся в зачаточном состоянии и требуют коллективных усилий экспертов и ученых из различных дисциплин и областей.

В-пятых, механизмы управления интегрированной формой и свойствами 3D-печати. 3D-печать переходит от производства, контролируемого формой, к интегрированному производству, контролируемому формой и свойствами. Например, при печати металлических деталей можно не только напечатать их форму, но и управлять сложными внутренними структурами с высокой точностью и прочностью, приближающейся или превышающей прочность кованых деталей.

В будущем печать лопастей для авиационных двигателей может привести к формированию столбчатых кристаллов, которые укладываются в заданном дизайнерами направлении, что в конечном итоге приведет к получению конечного продукта с более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению со штамповкой.

Таким образом, будущая роль 3D-печати претерпит значительные изменения, превратившись из вспомогательной формы в основу интеллектуального производства. Она переосмыслит производственные процессы, побуждая профессионалов пересмотреть существующие методы работы в этой области с учетом особенностей 3D-печати.

Хотя объем деталей, производимых с помощью 3D-печати, может не сравниться с объемом производства пресс-форм и обработки на станках с ЧПУ, стоимость, которую она создает, может значительно превзойти эти традиционные методы. Поэтому тенденции и перспективы применения 3D-печати очень многообещающие.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх