Beim 3D-Druck, auch Additive Fertigung genannt, können durch voreingestellte Verfahren und digitale Modelle, durch Pulverspritzen und andere Methoden Schicht für Schicht gedruckt werden, um letztendlich hochpräzise dreidimensionale Produkte zu erhalten. Im Vergleich zum herkömmlichen Flachdruck kann der 3D-Druck dreidimensionale dreidimensionale Modelle liefern; Im Vergleich zur herkömmlichen Verarbeitung weist der 3D-Druck einen höheren Grad an Präzision und Automatisierung auf. Es basiert auf den oben genannten Vorteilen, so dass die 3D-Drucktechnologie in kurzer Zeit den Einsatz schnell vorantreiben kann. Natürlich muss die Technologie auch viele Herausforderungen bewältigen, wie zum Beispiel Material, Ausrüstung, Industriestandards. Die Marktaussichten für den 3D-Druck sind breit gefächert, da das Verständnis und die Verwendung der 3D-Drucktechnologie auf der Grundlage der 3D-Drucktechnologie basieren und aktiv erforscht werden Auch die Innovations- und Optimierungsstrategie der 3D-Drucktechnologie ist zu einem beliebten Forschungsthema geworden.
1.Grundprinzipien und technische Eigenschaften des 3D-Drucks
Der 3D-Druck als Spitzentechnologie im Bereich der industriellen Fertigung kombiniert eine Vielzahl von Technologien, darunter Schichtfertigungstechnologie, Maschinenbau, CNC-Technologie, CAD, Lasertechnologie, Reverse Engineering-Technologie, Materialwissenschaft usw. Es kann direkt , den Entwurf eines elektronischen Modells schnell, automatisch und präzise in einen Prototyp mit fester Funktion umzuwandeln oder Teile direkt herzustellen und so eine kostengünstige und effiziente Methode für die Herstellung von Prototypen von Teilen und die Überprüfung neuer Designideen bereitzustellen. Das Grundprinzip der 3D-Drucktechnologie ist das umgekehrte Verfahren der Tomographie. Tomographie ist etwas, das in unzählige gestapelte Scheiben „geschnitten“ wird. Beim 3D-Druck wird das Material durch kontinuierliche Überlagerung physikalischer Schichten Schicht für Schicht vergrößert, um dreidimensionale Feststoffe zu erzeugen. Daher wird die 3D-Druck-Herstellungstechnologie auch als „additive Fertigungstechnologie“ bezeichnet.
Im Vergleich zur herkömmlichen Drucktechnologie und dem herkömmlichen Herstellungsverfahren konzentrieren sich die Merkmale des 3D-Drucks auf die folgenden Aspekte: Erstens eine einmalige Fertigstellung des Drucks ohne wiederholtes Schneiden und Schleifen, Vereinfachung des Produktherstellungsprozesses und Verkürzung der Zeit Produktionszyklus. Techniker müssen die dreidimensionalen Koordinaten und strukturellen Eigenschaften des Produkts im Voraus ermitteln und dann mithilfe spezieller Software am Computer dreidimensionale Modelle erstellen und schließlich mit computergesteuerten 3D-Druckern den Druck und die Herstellung der Produkte abschließen , wirklich erkennen, dass „was Sie sehen, ist, was Sie bekommen“. Zweitens sind die Kosten insbesondere bei der Massenproduktion im Vergleich zur herkömmlichen Verarbeitung geringer und die Herstellung bietet deutlichere Kostenvorteile. Aus Sicht des Produktionsmodus muss die 3D-Drucktechnologie lediglich die dreidimensionalen Koordinaten des Produkts ermitteln und ein dreidimensionales Modell des Produkts entwerfen, der Rest der Arbeit wird automatisch von der Ausrüstung erledigt. Nur eine Person kann die Arbeit erledigen, der Arbeits- und Zeitaufwand ist gering. Schließlich ist der Grad der Präzision des Produkts höher, insbesondere bei der Herstellung von Präzisionsteilen. Die Genauigkeit der durch 3D-Druck erzielten Produkte kann das Niveau von 0,01 mm erreichen und unterstützt 32-Bit-Farbe Drucken.
Ausrüstung, Materialien und Technologie sind die drei Kernelemente des 3D-Drucks. Zur Ausstattung gehören vor allem 3D-Drucker, 3D-Scanner, 3D-Lasergravierer, Lasertracker usw.; In Bezug auf die Materialien gehören zu den häufig verwendeten Materialien lichtempfindliches Harz, Kunststoffpulver, Knochenpulver, PLA usw.; Technisch gesehen umfasst es eine Vielzahl von Schlüsseltechnologien, wie die 3DP-Technologie, die FDM-Fused-Deposition-Molding-Technologie (FDM) und die SLA-Laserlichthärtungstechnologie. Die Betriebsmethoden, Grundprinzipien und Anwendungsvorteile dieser Technologien sind wie folgt sehr unterschiedlich.
2. 3DP-Drucktechnologie
Die dreidimensionale Drucktechnologie (3DP) ist derzeit die am häufigsten verwendete Methode des 3D-Drucks. Bei der verwendeten Ausrüstung handelt es sich um einen Standard-Tintenstrahldrucker, der an eine Vielzahl von Pulverdruckmaterialien wie Keramikpulver, Kunststoffpulver und Knochenpulver angepasst werden kann. Nach der Vorprogrammierung und Modellierung wird unter der Steuerung von Computerbefehlen eine Pulverschicht aufgetragen und anschließend die Düse bewegt, um Klebstoff durch die Düse auf den definierten Bereich zu sprühen, sodass die pulverförmigen Materialien miteinander verbunden werden. Nach Abschluss der ersten Druckschicht können Sie den Prototyp des Produkts erhalten und dann die oben genannten Schritte nach vielen Auftragen von Pulver, Sprühen und Kleben weiter wiederholen, um schließlich das gewünschte Produkt zu erhalten. Wenn Sie Farbprodukte drucken müssen, können Sie den entsprechenden Farbbinder auswählen.
SLA besteht aus lichtempfindlichem Harz, einem flüssigen Material, das unter Bestrahlung mit UV-Licht einer bestimmten Wellenlänge (x=325nm) und Intensität (w=30mw) schnell eine Photopolymerisationsreaktion eingehen kann, die molekulare Das Gewicht des Materials nimmt dramatisch zu und das Material geht vom flüssigen in den festen Zustand über. Der Flüssigkeitstank wird zunächst mit flüssigem lichtempfindlichem Harz, Helium-Cadmium-Laser oder Argon-Ionen-Laser gefüllt, der durch den UV-Laserstrahl im Computer unter Manipulation des Werkstücks entsprechend der Schichtung der Querschnittsdaten beim Scannen der Oberfläche des flüssigen lichtempfindlichen Harzes emittiert wird Linie für Linie und Punkt für Punkt, wodurch der Scanbereich der Harzschicht zur Polymerisation und Aushärtung aus der Bildung einer dünnen Schicht des Werkstücks führt. Sobald eine Schicht ausgehärtet ist, wird der Tisch um eine Schichtdicke nach unten bewegt und eine neue Schicht flüssigen Harzes auf die zuvor ausgehärtete Harzoberfläche aufgetragen, bis ein 3D-Festkörpermodell entsteht.
Zu den im SLS-Verfahren eingesetzten Geräten gehören Laser, Scanspiegel und Nivellierrollen. Der technische Prozess ist wie folgt: Legen Sie zunächst eine Schicht geeigneter Dicke aus Pulvermaterial auf den Arbeitstisch, wobei lichtempfindliches Harz, Paraffinpulver und Kunststoffpulver Vorrang haben. Verwenden Sie im Allgemeinen kein Keramikpulver oder Metallpulver. Stellen Sie dann das Programm ein, lesen Sie das Modell, in den Computersteuerungsanweisungen sendet der Laser einen Laserstrahl aus und bestrahlt durch den Scanspiegel das Pulvermaterial auf dem Tisch. Da der Laser über eine sehr hohe Energie verfügt, sintert er das Pulvermaterial, formt zunächst die Außenkontur des Produkts und legt dann weiterhin Pulver auf, wobei das Pulver von außen nach innen gesintert wird, und nach vielen Malen des Pulverauftrags noch viele Male Sintern, die endgültige Bildung des gewünschten Produkts. Im Vergleich zu den oben genannten 3D-Druckverfahren ist der SLS-basierte Prozess der selektiven Lasersintertechnologie relativ einfach und die Produktproduktionsgeschwindigkeit ist schneller. Diese Technologie weist jedoch auch Nachteile auf, z. B. müssen selektive Druckmaterialien, Metallpulver und Keramikpulver im Sinterprozess mehr Energie verbrauchen, was zu Kostensteigerungen führt, sodass dies bei Metall und Keramik als Hauptmaterialprodukten nicht der Fall ist angemessen, diese Technologie zu wählen.
Diese Technologie weist eine gewisse Ähnlichkeit mit der oben beschriebenen SLA-Stereo-Flachbettdrucktechnologie auf, wobei der Hauptunterschied in der Verwendung von DLP (Digital Light Processor) besteht. Nach der Vorbereitung des flüssigen Photopolymers wird ein hochpräziser digitaler Lichtprozessor direkt über dem Material aufgestellt, und der Techniker stellt die Ausrüstung ein, bewegt den Lichtstrahl auf die (0.0)-Koordinate und schließt die Bestrahlung unter der Kontrolle der Computeranweisungen ab, so dass das flüssige Material allmählich aushärtet. Der Prozess der Lichthärtung erfolgt ebenfalls schichtweise, die Aushärtungsgeschwindigkeit ist jedoch schneller und die Präzision der Produktformung ist höher. Darüber hinaus hat es gegenüber anderen 3D-Drucktechnologien einen Vorteil hinsichtlich der Oberflächenglätte. Allerdings gibt es Mängel, wie etwa die hohe Reinheit des flüssigen Photopolymers, die sich negativ auf die Leistung des Endprodukts auswirken kann, wenn es mit Verunreinigungen vermischt wird.
Beim LOM-Verfahren wird eine dünne Materialbahn wie Papier oder Kunststofffolie verwendet. Die Oberfläche der Platte wird zuvor mit einem Schmelzkleber beschichtet. Während der Verarbeitung drückt die Heißpresswalze das Blech heiß, um es mit dem darunter liegenden geformten Werkstück zu verbinden. Mit dem CO2-Laser wird die Querschnittskontur des Teils und des Außenrahmens des Werkstücks auf der gerade verklebten neuen Schicht ausgeschnitten und im redundanten Bereich zwischen der Querschnittskontur die oben und unten ausgerichteten Gitter ausgeschnitten und der äußere Rahmen; Nachdem die Laserschnitte abgeschlossen sind, wird das geformte Werkstück vom Arbeitstisch abgesenkt, um es vom Bandblech (dem Materialband) zu trennen. Der Materialzufuhrmechanismus dreht die Aufnahmeachse und die Materialzufuhrachse, um das Materialband so zu bewegen, dass das Endprodukt keine negative Leistung aufweist. Der Vorschubmechanismus dreht die Aufnahmeachse und die Vorschubachse und treibt so das Materialband in Bewegung, sodass die neue Schicht in den Verarbeitungsbereich gelangt. der Arbeitstisch fährt auf die Bearbeitungsebene; Durch den heißen Druck der heißen Druckwalze erhöht sich die Anzahl der Schichten des Werkstücks um eine Schicht und die Höhe erhöht sich um eine Materialstärke. und schneidet dann die Querschnittskontur auf der neuen Ebene. Dies wird wiederholt, bis alle Abschnitte des Teils verbunden und geschnitten sind, was zu einem massiven Teil führt, das in Schichten hergestellt wird.
PCM ist eine neue 3D-Drucktechnologie, die 2013 von der Tsinghua-Universität entwickelt wurde. Der Vorgang ist wie folgt: Zuerst wird das CAD-Modell des Teils im Computer gezeichnet und dann werden die Parameter des Modells in Form von STL-Dateien gespeichert . Das CAD-Modell wird entsprechend dem Teilemodell in ein Gussmodell umgewandelt. Schichten von oben nach unten, Verwendung von Scangeräten, Schicht-für-Schicht-Scannen, nach Fertigstellung des Modells die dreidimensionalen Koordinaten scannen und dann von unten nach oben mit dem Sand beginnen und verkleben. Im Gießprozess wurden zwei Düsen verwendet, eine zum Einspritzen des Bindemittels und die andere zum Einspritzen des Katalysators. Die beiden Materialien werden gleichzeitig versprüht und bei Kontakt kommt es zu einer kolloidalen Reaktion, die eine starke Materialschicht bildet. Nach Fertigstellung der ersten Schicht werden die zweite und dritte Schicht nacheinander ausgeführt, bis das Endprodukt vorliegt.
3. Anwendungsbereiche und Grenzen der 3D-Drucktechnologie
Seit dem Erscheinen des ersten kommerziellen 3D-Druckers im Jahr 1986 wurde die 3D-Drucktechnologie erst seit mehr als 30 Jahren entwickelt, findet jedoch in vielen Bereichen wie Bauwesen, Medizin und Luftfahrt breite Anwendung. In der Baubranche wird die 3D-Drucktechnologie mit der BIM-Technologie kombiniert, um ein 3D-Modell eines Gebäudes am Computer zu erstellen und es anschließend auszudrucken. Durch dreidimensionale 3D-Gebäudemodelle wird technische Unterstützung bei der Gebäudedarstellung, Baureferenz usw. bereitgestellt. In der medizinischen Industrie wird die 3D-Drucktechnologie zur Herstellung simulierter künstlicher Knochen mit idealer klinischer Anwendung eingesetzt. Darüber hinaus können Ärzte die 3D-Drucktechnologie auch nutzen, um pathologische Modelle zu erstellen, chirurgische Vorschauen in simulierten Situationen zu erstellen, chirurgische Programme zu entwerfen und die Erfolgsquote von Operationen zu verbessern. Im Luft- und Raumfahrtbereich können durch den Einsatz des 3D-Drucks hochpräzise Teile hergestellt werden, die den Designstandards und Nutzungsanforderungen entsprechen, wie z. B. Triebwerksturbinenschaufeln, integrierte Treibstoffdüsen usw., was auch positiv zur Verbesserung der Gesamtleistung von Raumfahrzeugen beiträgt. Darüber hinaus wurden beispielsweise die Herstellung von Spritzgussformen in der industriellen Fertigung sowie die Herstellung personalisierter Konsumgüter usw. mit der Reife der 3D-Drucktechnologie und der Reduzierung der Nutzungskosten nach und nach vorangetrieben .
Die Förderung und Nutzung des Verfahrens durch die 3D-Drucktechnologie unterstreicht nicht nur die starken Vorteile der Anwendung, sondern ist auch mit weiteren Einschränkungen konfrontiert. Aus Sicht der aktuellen technischen Rahmenbedingungen sind es vor allem folgende Faktoren, die die Entwicklung und Förderung des 3D-Drucks begrenzen: Erstens das Material. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass es sich bei den aktuellen 3D-Druckmaterialien hauptsächlich um lichtempfindliches Harz, Keramik, Paraffin usw. handelt. Im Zusammenhang mit der Ausweitung des Anwendungsbereichs kann die begrenzte Anzahl an Materialien offensichtlich nicht den Anforderungen in einigen aufstrebenden Bereichen gerecht werden. Beispielsweise ist es nicht möglich, Metall- und Legierungsmaterialien für den 3D-Druck zu verwenden, was zu Einschränkungen bei der Anwendung führt. Darüber hinaus ist der Materialpreis relativ hoch, und beim Stapeldruck sind die hohen Kosten ebenfalls ein begrenzender Faktor. Zweitens müssen die Gerätepreise gesenkt werden, wenn die 3D-Drucktechnologie vollständig kommerzialisiert werden soll. Zu diesem Zeitpunkt liegt der Preis für einen gewöhnlichen 3D-Drucker bei etwa 5,000 Yuan, und wenn höhere Anforderungen an die Präzision gestellt werden, liegt der Preis der Ausrüstung zwischen 10,000 und mehreren Zehntausend Yuan . Dies stellt für Normalanwender immer noch einen hohen Verbrauch dar, der der vollen Popularität des 3D-Drucks entgegensteht.
4. Entwicklungstrend der 3D-Drucktechnologie
Die 3D-Drucktechnologie hat breite Entwicklungsperspektiven. Angesichts der wachsenden Marktgröße ist es notwendig, das Design auf höchstem Niveau und solide Industriestandards zu stärken, damit der 3D-Druck standardisiert und industrialisiert werden kann. Durch die zuständigen Regierungsbehörden oder die Behörde der Branche so schnell wie möglich ein einheitliches System von Standards vorbereiten und einführen, einschließlich Standards für die Materialproduktion, Standards für Ausrüstungsforschung und -entwicklung sowie Standards für die Technologiebewertung. Mit einem perfekten Standardsystem bietet die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie eine starke Garantie. Beispielsweise haben viele Forschungseinheiten in den letzten Jahren eingehende Untersuchungen zu Nanomaterialien, Polymerverbundwerkstoffen und Materialien mit funktionellem Gradienten durchgeführt. Nach der Einführung eines einheitlichen Standards werden die Parameter und Standards verschiedener Materialarten geregelt und beim Einkauf von 3D-Druckmaterialien prüfen wir, ob diese den Standardspezifikationen entsprechen, um so Niedrigpreisen ein Ende zu setzen. Qualität, „Cottage“-Materialien und stellen die Leistung und Qualität von Druckerzeugnissen sicher.
Derzeit erfordert die 3D-Drucktechnologie bei ihrer Anwendung ein hohes Maß an Spezialisierung im Produktdesign und in der Parameterverarbeitung. Neben der erhöhten Belastung des Personals bringt es auch das Problem einer hohen Eintrittsschwelle mit sich. Daher wird sich die Zukunft der 3D-Drucktechnologie mit der Entwicklung der KI-Technologie und der Big-Data-Technologie in Richtung Intelligenz und Einfachheit entwickeln und den Benutzern ein besseres Erlebnis bieten. Der spezifische Entwicklungspfad umfasst zwei Aspekte: Der eine ist die Hardware, also die 3D-Druckausrüstung. Neben einer weiteren Reduzierung des Gerätepreises soll es auch benutzerfreundlichere Funktionen wie Visualisierungsfunktionen bieten, um den gesamten 3D-Druckprozess darzustellen, Benutzer können die Druckparameter jederzeit entsprechend dem Echtzeitbildschirm anpassen förderlich für den Erhalt der gewünschten Druckprodukte; Die zweite ist die Software, die Designsoftware, Drucksteuerungssoftware und andere funktionale Software bereitstellt, um mehr Arten von Druckanforderungen zu unterstützen.
Druckgeräte und Druckmaterialien sind der Schlüssel zur Anwendung und Entwicklung der 3D-Drucktechnologie. Forschung und Entwicklung sind für den 3D-Druckbedarf mehrerer Arten von Materialien geeignet, aber auch der nächste Schritt in der Entwicklung dieser Technologieinnovation ist wichtig. Zusätzlich zu den häufiger verwendeten lichtempfindlichen Harzmaterialien werden voraussichtlich Polymerpulvermaterialien wie Paraffinpulvermaterialien, Beschichtungssandpulvermaterialien, Metallpulvermaterialien sowie Schmelzdrahtmaterialien, Holz-Kunststoff-Verbundmaterialien usw. verwendet im 3D-Druck gefördert. Neben der Bereitstellung einer größeren Auswahl an Trägermaterialien werden auch die Leistung des Materials, die Festigkeit und die besondere Anpassungsfähigkeit an die Umwelt erheblich verbessert, sodass 3D-Druckprodukte in verschiedenen Bereichen und Umgebungen eingesetzt werden können, um einen offensichtlichen Anwendungsvorteil zu erzielen.
5. Zusammenfassung
In den letzten Jahren hat die 3D-Drucktechnologie in vielen Bereichen starke Anwendungsvorteile gezeigt, und viele auf der 3D-Drucktechnologie basierende Präzisionsteile und Produkte haben auch positive Auswirkungen auf die Förderung der Entwicklung und Innovation der Branche. Es ist zu beachten, dass mit der Ausweitung des Anwendungsbereichs der 3D-Drucktechnologie auch einige Engpässe auftreten, insbesondere hinsichtlich Materialien und Ausrüstung. In Zukunft sollten wir uns auf die Forschung und Entwicklung unterstützender Technologien konzentrieren, mehr alternative Druckmaterialien bereitstellen, die Kosten für Druckgeräte senken, das humane und intelligente Niveau der Druckvorgänge verbessern und technischen Support bieten soziale und wirtschaftliche Entwicklung.
