Roboter-3D-Großdruck AI Build
Die Revolution im 3D-Druck ist langsam und stetig, kann jedoch sehr störend sein.
Dieser transformative Ansatz für die industrielle Produktion ermöglicht es Ingenieuren, schnell Prototypen und manchmal leichtere und stärkere Teile zu einem Bruchteil der Kosten im Vergleich zu häufiger verwendeten subtraktiven Fertigungsmethoden herzustellen. Logischerweise sind Einzelpersonen, Unternehmen und Institutionen von diesem Wertversprechen angezogen.
Der Markt für 3D-Druck oder additive Fertigung AM wurde 2019 mit 13,7 Mrd. USD bewertet, 14,4% mehr als im Vorjahr. Verschiedene Schätzungen hat die aufstrebende Industrie geplant, einen Marktwert von ungefähr zu erreichen 41 Milliarden US-Dollar bis 2026 .
Warum? In den Anfängen konzentrierte sich die additive Fertigung in erster Linie auf die Verbraucherabsicht und nicht auf den industriellen Wert. Im Laufe der Jahrzehnte hat sich die Wahrnehmung dieser Technologie geändert. Die Technologie für den 3D-Druck hat sich zu einem leistungsstarken Werkzeug nicht nur für das Rapid Prototyping entwickelt, aber es hat sich zu einem nützlichen Mechanismus für die Herstellung von Endteilen mit geringer Produktion entwickelt.
Angetrieben von der Automobil- und Luftfahrtindustrie untersuchen Ingenieure verschiedene Möglichkeiten, um 3D-Drucktechnologien in Workflows zu integrieren. Führende Automobilhersteller wie Bugatti haben AM verwendet, um einige Teile für Flaggschiff-Fahrzeuge zu drucken. Boeing und Airbus haben auch AM-Technologien für die Entwicklung und Entwicklung verwendetstellen einige Teile für ihre Flugzeuge, Satelliten und Hubschrauber her.
Bekleidungsunternehmen Adidas und Nike verwenden 3D-Drucktechnologien um das Produktionsvolumen einiger ihrer ehrgeizigsten Sneaker-Designs zu steigern.
Restaurants suchen nach verschiedenen Möglichkeiten, um Lebensmittel und sogar Getränke zu drucken. Mediziner beginnen, Funktionen zu drucken. Organe und Organoide . Und dies ist nur der Anfang.
Die additive Fertigung hat bereits nahezu alle wichtigen Branchen infiltriert. Obwohl die Technologie den Ingenieuren einige aufregende Vorteile für den Workflow bietet, hat AM seine Grenzen.
Heute werden wir uns ansehen, wie einige Unternehmen additive Fertigung einsetzen und welche Einschränkungen diese Revolution mit sich bringt. Aber was ist additive Fertigung?
Was ist additive Fertigung?
Die Begriffe additive Fertigung und 3D-Druck werden in der Regel synonym verwendet. Sie sind jedoch nicht unbedingt dasselbe. Wir werden gleich darauf zurückkommen. Ob auf einem Büro-Desktop oder in der Produktion eines Lagers, 3D-Druckbasiert auf dem gleichen Prinzip.
Die Technologie verwendet einen speziellen "Drucker", der ein spezielles Filament als "Tinte" verwendet, um ein digitales Modell zu drehen, das mit entwickelt wurde. Computergestütztes Design CAD in ein physikalisches dreidimensionales Objekt. Dazu wird die "Tinte" in der Regel schichtweise hinzugefügt. Daher kommt der Begriff "Additive Fertigung". Dieser Prozess unterscheidet sich grundlegend von demkonventionellere subtraktive Fertigung wie CNC-Bearbeitung, funktioniert.
Im Vergleich zu seinen formativen und subtraktiven Verwandten benötigt AM keine anderen Spezialwerkzeuge als den Drucker, das Filament und das CAD-Modell. Die Artikel werden direkt auf der Bauplattform hergestellt. Dies bietet Ingenieuren eine Reihe einzigartiger Vorteile, wie z. B. die Erstellung vonkomplexe geometrische Teile zu relativ geringen Kosten, kostengünstige Inbetriebnahme und Prototyping sowie die Fähigkeit, Materialien relativ einfach zu manipulieren.
Lassen Sie uns nun in diesem Artikel über den Elefanten sprechen. Additive Fertigung und 3D-Druck werden häufig synonym verwendet. Der Begriff AM wird in der Regel als All-Inclusive-Begriff verwendet, um komplexe industrielle Prozesse zu beschreiben, die 3D-Drucktechnologien umfassenDer 3D-Herstellungsprozess zur Herstellung funktionaler Prototypen, Formen, Formeinsätze und Endprodukte wird als additive Fertigung bezeichnet.
3D-Druck wird üblicherweise verwendet, um den individuellen Druckprozess und die Technologie zu beschreiben. Verbraucherseite .
Obwohl sich dieser Artikel hauptsächlich auf die industrielle Seite der 3D-Drucktechnologien konzentriert, werden wir die Sätze der Einfachheit halber austauschbar verwenden.
Unternehmen verfügen über eine breite Palette von 3D-Drucktechnologien und -verfahren
Der ISO / ASTM 52900-Standard unterteilt die verschiedenen 3D-Druckmethoden in mehrere Gruppen. Heute werden wir die am häufigsten verwendeten Techniken im Industriebereich auflisten.
Materialextrusion ist der Prozess, bei dem ein Material selektiv durch eine Düse oder Öffnung abgegeben wird. Fused Deposition Modeling FDM fällt unter diese Kategorie. Es ist eines der bekanntesten additiven Herstellungsverfahren, das sowohl von Enthusiasten als auch von Herstellern häufig verwendet wird.Es eignet sich sowohl für das Prototyping als auch für einige funktionale Endteilanwendungen.
Bei dieser Methode werden gespulte Polymerfilamente oder -materialien verwendet, die extrudiert oder durch eine beheizte Düse gezogen werden, die an einem beweglichen Arm montiert ist.
Die Automobilindustrie verwendet Stratasys FDM-Drucker wie den Fortus 900mc, um Konstruktionen und wesentliche Komponenten schnell zu prototypisieren. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden auch leichte Verbundteile, langlebige Vorrichtungen und Vorrichtungen mit FDM-Druck verwendet. Das britische Unternehmen Marshall Aerospace and Defense verwendet FDM-Technologien sogar zur Herstellung flugbereiter Teile.
Küpenpolymerisation Techniken wie Stereolithographie SLA und digitale Lichtverarbeitung DLP verwenden flüssige Photopolymere, die mit UV-Licht selektiv gehärtet werden, um 3D-Objekte zu erstellen. Unternehmen wie New Balance, Adidas und Nike haben SLA-Techniken verwendet, um traditionelle Herstellungsmethoden zu erweitern und kundenspezifische Zwischensohlen in Massenproduktion herzustellen.
Pulverbettfusion umfasst selektives Lasersintern SLS, direktes Metalllasersintern DMLS und selektives Laserschmelzen SLM. Bei diesem AM-Verfahren werden Laser, Elektronenstrahlen oder Thermodruckköpfe zum Schmelzen oder teilweisen Schmelzen ultrafeiner Schichten verwendetMaterial in einem dreidimensionalen Raum. DMLS / SLM-Techniken werden üblicherweise zur Herstellung von Metallteilen mit komplexen Geometrien verwendet, die mit herkömmlichen Methoden nicht hergestellt werden können.
Metalllegierungen, die mit anderen Technologien wie Metall-Superlegierungen schwer zu verarbeiten sind, werden ebenfalls mit dieser Technik verwendet. Die NASA hat DMLS / SLM-Techniken verwendet, um Raketentriebwerkskomponenten herzustellen. US-amerikanisches und australisches Militär haben auch Pulverbett-Fusionstechnologie verwendet, um Waffen und Werkzeuge im Feld herzustellen. Automobilunternehmen wie GM und Ford verwenden dieses AM-Verfahren, um Ersatzteile für Fahrzeuge herzustellen.
Materialstrahl weist einige Ähnlichkeiten mit einem Tintenstrahldrucker auf. Anstatt eine einzelne Tintenschicht auf ein Stück Papier zu drucken, werden jedoch mehrere Materialschichten abgeschieden, um ein festes Teil aufzubauen. Materialtröpfchen werden selektiv auf einem Aufbau abgeschieden und ausgehärtetPlattform. Material Jetting gilt als die präziseste 3D-Drucktechnologie und ist vergleichbar mit Spritzguss.
Aufgrund der hohen Kosten dieser 3D-Drucktechnologie im Vergleich zu anderen High-Fidelity-Techniken wie DLP oder SLA eignet sich Materialstrahlen jedoch nicht immer für funktionale Anwendungen. Es eignet sich jedoch hervorragend für realistische Prototypen und Komponenten, die benötigt werdenausgezeichnetes optisches Erscheinungsbild und Finish.
Materialstrahlen wird in der Luft- und Raumfahrt verwendet, um Metallteile für Verkehrsflugzeuge und detailreiche Validierungsprototypen wesentlicher Flugzeugkomponenten herzustellen.
Ebenso steht Ingenieuren eine große Menge an Materialien zur Verfügung, um 3D-Druckobjekte zu erstellen.
Thermoplaste sind die am häufigsten verwendeten additiven Fertigungsmaterialien. Zu den am häufigsten verwendeten Thermoplasten gehören Acrylnitril-Butadien-Styrol ABS, Polymilchsäure PLA und Polycarbonat PC. Obwohl sie für das Prototyping häufiger verwendet werden, bieten sie Herstellern einige funktionale Anwendungenwerden in der Regel für Prozesse verwendet, die ein hohes Maß an Detailgenauigkeit erfordern.
Das Unternehmen JetX Das Engineering nutzt die additive Fertigung als Mittel, um die Luft- und Raumfahrtausbildung zu revolutionieren. Unter Verwendung einer breiten Palette von Thermoplasten hat das Team maßstabsgetreue Testmodelle für Strahltriebwerke erstellt. Das äußerst realistische Triebwerk besteht aus 515 Teilen, die mit 2900 Druckstunden und fast 5 km Filament hergestellt wurden.
Metalle stehen als nächstes auf unserer Liste. Mit DMLS / SLM können Unternehmen konsolidierte leichte funktionale Metallteile herstellen. Die derzeit verfügbaren AM-Techniken ermöglichen die Herstellung von Edelmetallen wie Gold und Silber sowie von strategischen Metallen wie Edelstahlund Titan.
Die Ford Motor Company ist einer der frühesten Anwender des 3D-Drucks. Sie haben nicht nur die additive Fertigung zum Erstellen und Testen von Prototypen verwendet, sondern die Ford-Teams haben AM auch zur Herstellung der Feststellbremshalterung des 2020 Shelby GT500 verwendet. Der Herstellungsprozess der Bremsebenutzt DLS 3D-Drucktechnologie und wurde aus EPX 82-Material hergestellt.
Keramik wie Zirkonoxid, Aluminiumoxid und Tricalciumphosphat können auch mit 3D-Druckverfahren verwendet werden und bieten Herstellern gedruckte, hitzebeständige Komponenten.
Das niederländische AM-Unternehmen Formatec Keramik ist auf die Herstellung keramischer technischer Komponenten spezialisiert. Sie stellt Implantate für die medizinische Industrie sowie High-Tech-Teile für die Luft- und Raumfahrt wie komplizierte Wärmetauscher und Sensoren her.
Biochemikalien sind ein aufstrebendes Gebiet in der additiven Fertigung. Forscher machen neue Fortschritte auf dem Gebiet des Bioprinting, indem sie Bio-Tinten aus einer Suppe von Zellen und Biopolymeren verwenden, um Gewebe und sogar Organe zu erzeugen.
Im Bereich des Bioprintings hat das australische Start-up Inventia Life Science an einer Methode gearbeitet, die es Ärzten ermöglichen würde, 3D-Print-Skin direkt auf die Wunde eines Patienten. Hautzellen werden nach dem gleichen Prinzip wie beim Tintenstrahldruck als winzige Hautzelltröpfchen auf einer betroffenen Stelle abgelagert.
Es gibt bestimmte Branchen, die die Einführung von AM beschleunigen.
Luft- und Raumfahrt
Luft- und Raumfahrtingenieure verwenden häufig 3D-Drucktechnologien zur Herstellung von Hochleistungsteilen. Die Fähigkeit, topologieoptimierte Strukturen mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht herzustellen, sowie die Fähigkeit, mehrere Komponenten zu einem einzigen Teil zusammenzufassen, sind äußerst attraktivAM hat den Luft- und Raumfahrtunternehmen dabei geholfen, erhebliche Einsparungen zu erzielen. Durch den 3D-Druck verschiedener Komponenten auf der Erde und im Weltraum können Ingenieure die Nutzlast, Emissionen, den Kraftstoffverbrauch, die Geschwindigkeit und die Sicherheit eines Flugzeugs positiv beeinflussen.
Medizin
Die additive Fertigungstechnik des Bioprintings ist ein Ableger des 3D-Drucks. Dabei werden Zellen von Spendern entnommen und in druckbare Bio-Tinte umgewandelt, die über einen Drucker zugeführt und Schicht für Schicht hergestellt wird, um transplantationsfertiges Gewebe zu erzeugen.
Diese Technologie befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium, aber Forscher weltweit haben menschliche Haut, Herzen, Lungen, Knochen und Lebern im Labor gedruckt. In Zukunft wird es möglicherweise üblich sein, voll funktionsfähige Organe zu drucken.
Traditionellere SLA-3D-Drucktechniken werden auch verwendet, um benutzerdefinierte 3D-gedruckte Modelle, anatomische Modelle zum Planen und Üben für die Chirurgie, für die Ausbildung und für die Erstellung funktioneller Prothesen zu erstellen.
Automobil
Die additive Fertigung verlangsamt sich im Arbeitsablauf für die Automobilkonstruktion und verkürzt die Konstruktionszeiten und Vorlaufzeiten für neue Automodelle erheblich. Materialextrusion und Materialstrahl werden für Konstruktionskommunikation, Prototyping, Prototypenvalidierung und Vorproduktionsphasen verwendetBenutzerdefinierte Vorrichtungen, Vorrichtungen und andere Werkzeuge werden üblicherweise gedruckt, um die Kosten zu senken.
Robotik
Robotikingenieure können mithilfe des 3D-Drucks Komponenten erstellen, die auf eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten sind, bei reduziertem Gewicht und geringeren Kosten. Häufig verwendete Teile wie Greifer und Sensorhalterungen sind in der Regel teuer in der Herstellung und müssen für unterschiedliche Verwendungszwecke kundenspezifisch ausgelegt werden. Ingenieure können diesVerwenden Sie 3D-Drucker für End-of-Arm-Werkzeuge und End-Use-Teile. Haddington Dynamics verwendet seinen Drucker zum Drucken von Roboterarmen für die NASA und GoogleX zu 58% geringeren Kosten als bei der herkömmlichen Fertigung.
Additive Fertigung hat ihre Grenzen
3D-Druckobjekte weisen im Vergleich zu Teilen, die mit anderen Herstellungsverfahren hergestellt wurden, eine geringere Festigkeit und anisotrope Materialeigenschaften auf. Teile, die Schicht für Schicht gedruckt werden, sind in einer Richtung ungefähr ungefähr schwächer und spröder 10% bis 50% .
Dies ist nicht immer der Fall, da einige DMLS- und SLM-Drucktechniken Metallkomponenten herstellen, die bessere mechanische Eigenschaften als Schüttgüter bieten. Eine schwache Materialfestigkeit verhindert jedoch die Verwendung des 3D-Drucks für kritischere funktionale Anwendungen.
Einer der größten Nachteile der additiven Fertigung sind die Skaleneffekte. Bei großen Produktionsmengen sind CNC-Bearbeitung und Spritzguss am kostengünstigsten. Bei höheren Stückzahlen sinken die Stückpreise im Vergleich zum nicht so starkAlternativen erwähnt.
Andere Faktoren, wie die Druckgeschwindigkeit für kleinere Komponenten und die mangelnde Konsistenz, verhindern, dass AM die Standardfertigung überholt, während AM die bevorzugte Methode für einmalige und produktionsarme Endteile istAM könnte im kommenden Jahrzehnt etwas ändern.
Wann bevorzugen Unternehmen die traditionelle Fertigung?
Unternehmen werden in einer Vielzahl von Szenarien eine subtraktive Technologie wie die CNC-Bearbeitung gegenüber dem 3D-Druck wählen. Bei der Herstellung von Teilen ab 100 Jahren ist die CNC-Bearbeitung aufgrund von Skaleneffekten wirtschaftlicher.
Wenn ein Hersteller ein Teil mit einfacher Geometrie benötigt, ist der subtraktive Prozess in der Regel die beste Option. Schließlich werden Funktionsteile mit engen Toleranzen oder Komponenten, bei denen hohe Materialanforderungen erforderlich sind, normalerweise mithilfe der CNC-Bearbeitung hergestellt.
Additive Fertigung ist immer noch eine praktikable Herstellungsmethode.
Wird der 3D-Druck die traditionelle Fertigung insgesamt entfernen? Nein. Die additive Fertigung ersetzt nicht die CNC-Bearbeitung oder das Spritzgießen. Die weltweite Fertigung wird derzeit mit $ bewertet. 12,7 Billionen . Dies bedeutet, dass AM weniger als 0,1% der weltweiten Fertigung ausmacht. Die Einschränkungen der Technologie werden es wahrscheinlich in den Bereichen Produktion und Prototyping mit geringer Produktion halten.
Dies macht die Technologie jedoch nicht weniger störend. Wenn überhaupt, haben 3D-Drucktechnologien in der Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Automobilindustrie bereits ein dauerhaftes Zuhause gefunden.
Diese Technologie wird wahrscheinlich in den kommenden zehn Jahren zusammen mit traditionelleren Fertigungsmethoden eingesetzt, um ein digitales Fertigungsökosystem zu schaffen.