Additive Fertigung— 3D Drucken

1. Branchenüberblick

         3D Drucken (3D-Druck) , auch als additive Fertigung bezeichnet (Additive Fertigung , kurz AM) , entstand in den 1990er Jahren. Im Gegensatz zu den traditionellen „Materialabtrag“-Verfahren ist 3D Drucken basiert auf Computersoftware, bei der mithilfe von Design-, Scan- und anderen Verfahren dreidimensionale Modelle erstellt werden, um diskrete Materialien schichtweise aufzubauen. ( Pulver, Draht ) Eine Technik zur Formgebung durch Bearbeitung. 3D Beim Drucken wird meist kugelförmiges Pulver als Ausgangsmaterial verwendet, das durch eine fokussierte Wärmequelle selektiv geschmolzen und beim anschließenden Abkühlen zu einem gedruckten Bauteil verfestigt wird. 。

                      3D Drucken                                 3D Druckprodukt

  3D Einer der Hauptbereiche des Druckens ist Luftfahrt In der Raumfahrtindustrie verfügen moderne Strahltriebwerke über Tausende von Bauteilen, von denen einige – etwa Turbinenschaufeln – Abbildung 1 ) Es müssen strenge Spezifikationen eingehalten und ein einziges Material verwendet werden. Form Herstellung. Verwendung Drei Dimensionen Zu den gedruckten Triebwerkskomponenten zählen Turbolader-Laufräder, Schaufeln, Kraftstoffdüsen und weitere Bauteile.

                                                                            (Abbildung 1)

Zwei. 3D Drucktechnologie Im Vergleich Fertigungsvorteile der traditionellen Fertigungstechnik

      Derzeit Metall Im Vergleich zu herkömmlichen Präzisionsbearbeitungsverfahren weist die 3D-Drucktechnologie noch erhebliche Defizite hinsichtlich der bearbeitbaren Materialien, der Bearbeitungsgenauigkeit, der Oberflächenrauheit und der Bearbeitungseffizienz auf; gleichzeitig verfügt sie aufgrund ihres völlig neuen technischen Prinzips und ihrer einzigartigen Fertigungsweise über enorme Vorteile, die mit denen der traditionellen Präzisionsbearbeitung nicht zu vergleichen sind. Diese Vorteile zeigen sich insbesondere in folgenden Aspekten:

（ 1) Verkürzung des Entwicklungs- und Realisierungszyklus neuer Produkte. Der Formgebungsprozess im 3D-Druck wird direkt von einem 3D-Modell gesteuert; es sind keine Formen, Spannvorrichtungen oder anderen Hilfsmittel erforderlich. Dadurch lässt sich der Entwicklungszyklus erheblich verkürzen, die kostspieligen Kosten für die Herstellung von Formen werden eingespart, und die Iterationsgeschwindigkeit bei der Produktentwicklung steigt.

（ 2) Es ermöglicht die effiziente Formgebung komplexerer Strukturen. Das Prinzip des 3D-Drucks besteht darin, komplexe dreidimensionale Geometrien in zweidimensionale Querschnittsprofile zu zerlegen und diese schichtweise aufzubauen; dadurch können auch komplizierte Bauteile hergestellt werden, die mit herkömmlichen Präzisionsbearbeitungsverfahren nur schwer zu realisieren sind, was die Ausbeute an fertigen Teilen erhöht und gleichzeitig die Produktqualität verbessert.

（ 3) Realisierung einer integrierten, leichten Bauweise. Der Einsatz der Metall-3D-Drucktechnologie ermöglicht die Optimierung der Struktur komplexer Bauteile: Unter Beibehaltung der Leistungsfähigkeit werden komplexe Geometrien umgestaltet und in einfachere Konstruktionen überführt, was zu einer Gewichtsreduktion führt. Zudem erlaubt der 3D-Druck die integrative Fertigung von Bauteilen, wodurch die Zuverlässigkeit des Produkts erhöht wird.

（ 4) Hohe Materialausnutzung. Im Vergleich zu herkömmlichen Präzisionsbearbeitungsverfahren ermöglicht die Metall-3D-Drucktechnologie eine erhebliche Materialeinsparung – insbesondere bei relativ teuren Metallwerkstoffen, was zu einer signifikanten Kosteneinsparung führt.

（ 5) Erzielung hervorragender mechanischer Eigenschaften. Aufgrund der charakteristischen schnellen Erstarrung beim 3D-Druck weist das nach dem Formgebungsprozess hergestellte Bauteil eine gleichmäßige und dichte metallurgische Qualität ohne sonstige metallurgische Defekte auf; zugleich führt die schnelle Erstarrung zu einer feinkörnigen, substrukturellen Gefügestruktur im Material, wodurch die Festigkeit der geformten Teile bei gleichzeitiger Beibehaltung der Duktilität erheblich erhöht werden kann.

3. 3D Aktueller Stand der Industrie für Hochtemperatur-Legierungspulvermaterialien für den Druck

Zu den Verfahren zur Herstellung von kugelförmigem Pulver für den 3D-Druck zählen das Gasatomisierungsverfahren, das Plasmabrenner-Atomisierungsverfahren, das Rotations-Elektroden-Atomisierungsverfahren sowie das Carbonylverfahren. Unter diesen Verfahren ist das Gasatomisierungsverfahren am weitesten verbreitet.

1. Überblick über den Mechanismus der Aerosolzerstäubung zur Herstellung kugelförmiger Metallpulver

Gemäß Sehen und Dombrowski Die Forschung zeigt, dass der Gaszerstäubungsprozess in drei Phasen unterteilt ist: die primäre Zerkleinerung, die sekundäre Zerkleinerung sowie die Sphäroidisierung und Erstarrung. Diese Phasen umfassen im Wesentlichen den Zustand der Luftstromverteilung, das Schmelzen der Legierung, die Zerstörung der Schmelze, die Sphäroidisierung und die Erstarrung; außerdem werden der Gaszerstäubungsprozess und entsprechende Sprühbilder dargestellt. (Erfassung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera) wie in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst wird der Luftstrom durch die Zerstäubungsdüse beschleunigt und bildet ein stabiles Strömungsfeld; sobald der flüssige Schmelzmetallstrom auf diesen Luftstrom trifft, wirkt der hochgeschwindige, hochdruckbeaufschlagte Luftstrom auf den Strom ein, zerkleinert ihn und wandelt die kinetische Energie des Gases in die Oberflächenenergie der Metalltröpfchen um, wodurch feine Schmelztröpfchen entstehen. Unter dem Zug der Luftströmung fliegen diese Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit; während des Flugs werden sie durch die Oberflächenspannung sphärisiert und schließlich in dem schnell bewegten Zerstäubungs-Luftstrom rasch abgekühlt und erstarrt, sodass kugelförmige Pulverpartikel entstehen.

                       Schematische Darstellung des Aerosolisierungsprozesses (a)                                                       Sprühfoto (b)

2. Metallpulvermaterialien

Im aktuellen In der 3D-Druckindustrie nimmt der Metall-3D-Druck einen beträchtlichen Anteil ein; mit der zunehmenden Reife der Technologie und dem deutlichen Kostenrückgang brechen sich seine Anwendungsbereiche, -tiefe und -skala immer weiter Bahn. So ist der Metall-3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt bereits vom Bau von Testmustern in die Serienproduktion übergegangen; im Dentalbereich hat der 3D-gedruckte Metallzahnkrone sich zu einem Standardverfahren in zahntechnischen Laboren entwickelt; in der Orthopädie werden 3D-gedruckte Metallimplantate nun in großem Maßstab eingesetzt; in Bereichen wie Werkzeugbau und Kühlkörperherstellung ersetzt er zunehmend konventionelle Verfahren; und im Automobilsektor wartet noch ein enormes Anwendungspotenzial darauf, erschlossen zu werden. 。

Metallpulvermaterial

3. Hochtemperaturlegierungsmaterial

Hochtemperaturlegierungen, auch als Superlegierungen bezeichnet, zeichnen sich durch eine hervorragende Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sowie durch ausgezeichnete Zug-, Dauer- und Ermüdungseigenschaften und eine langfristige Gefügestabilität aus. Sie wurden entwickelt, um den Anforderungen der modernen Luft- und Raumfahrttechnik unter verschiedensten Hochtemperaturbetriebsbedingungen gerecht zu werden, und haben in der fortschrittlichen Triebwerksentwicklung für die Luft- und Raumfahrt eine außerordentlich starke Bedeutung erlangt.

Pulvermetallurgische Hochtemperaturlegierungen sind Hochtemperaturlegierungen, die mittels Pulvermetallurgie hergestellt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen gegossenen und geschmiedeten Hochtemperaturlegierungen weisen sie eine homogene Gefügestruktur ohne makroskopische Segregation sowie eine hohe Streckgrenze und gute Ermüdungseigenschaften auf und überwinden die bei konventionellen Verfahren auftretenden Segregationsphänomene. (Ungleichmäßigkeit): Jedes Partikel des eingesetzten vorlegierten Pulvers fungiert als ein „mikroskopischer Stahlbarren“; Legierungssegregation kann nur innerhalb der feinen Skalen der Pulverpartikel auftreten, was die Gesamtleistung der Legierung verbessert, den Zerspanungsaufwand verringert und die Ausnutzung der Legierung erhöht. Insbesondere mit zunehmender Komplexität der Zusammensetzung von Hochtemperaturlegierungen und stetig wachsenden Bauteilgrößen zeigt sich die überlegene Leistungsfähigkeit von Hochtemperaturlegierungen aus dem Pulvermetallurgieverfahren. 。

Vier. 3D-Druck Entwicklungstrends der Industrie

1. Der Finanzierungsbedarf der Industrie ist dringend; das Volumen wird über… hinausgehen. 7 Milliarden Yuan: Laut Statistiken belief sich das weltweite Gesamtvolumen der Finanzierungen im Bereich der additiven Fertigung im Jahr 2021 auf 65 Milliarden Yuan, mit einem Wachstum von 66 %. In China erreichte das Gesamtvolumen der Finanzierungen für Unternehmen der additiven Fertigung rund 4,8 Milliarden Yuan – ein Anstieg um 33,3 % gegenüber 2020. Dennoch bestehen nach wie vor Unterschiede zwischen dem aktuellen Gesamtinvestitionsvolumen und der Investitionswachstumsrate in China und jenen im Ausland. Es wird erwartet, dass der Finanzierungsbedarf der chinesischen Branche für die additive Fertigung im Jahr 2022 7 Milliarden Yuan übersteigen wird.

2. Es besteht die Aussicht, dass Komponenten für Mittelklasse‑Anlagen vollständig durch inländische Produkte ersetzt werden. In den letzten Jahren haben die inländischen Hersteller von additiv gefertigten Komponenten ihre Investitionen in Forschung und Entwicklung stetig erhöht; inzwischen werden inländische Komponenten von Unternehmen wie Han’s Laser Technology und Wuhan Raycus bereits in Dental‑Laser‑Selektiv‑Schmelz‑ und Lichtaushärtungsanlagen zuverlässig eingesetzt. Mit der weiter steigenden Nachfrage beschleunigt sich der Prozess der Inlandsproduktion von Komponenten, sodass es zukünftig wahrscheinlich ist, dass Komponenten für Mittelklasse‑Anlagen vollständig durch inländische Produkte ersetzt werden.

3. Industrielle Additivfertigungsanlagen zeigen einen Trend hin zu großen Baugrößen, hoher Effizienz und Spezialisierung. Mit fortschreitender Technologieentwicklung und Prozessinnovation, stetig steigenden Anwendungsanforderungen sowie der kontinuierlichen Erweiterung der Einsatzszenarien nehmen additive Fertigungsanlagen zunehmend große Abmessungen an, zeichnen sich durch hohe Effizienz aus und werden immer stärker auf spezifische Anwendungen zugeschnitten. Gleichzeitig haben inländische Unternehmen bereits entsprechend den unterschiedlichen Anforderungsprofile in den Bereichen Medizin, Bauwesen und Denkmalschutz spezielle Anlagen auf den Markt gebracht, darunter Laserschmelzanlagen für die zahnmedizinische Fertigung, spezialisierte stereolithografische Aushärtungsanlagen für die Nachbildung von Kulturgütern sowie mechanisch gesteuerte Schwenkarm-Extrusionsanlagen für den Baubereich.

4. Der Markt für Dienstleistungen wächst kontinuierlich, und Bereiche wie das Gießwesen stehen vor einem starken Wachstum. Laut den Daten des Wohlers Report nimmt der Anteil internationaler Dienstleistungsunternehmen im Bereich der additiven Fertigung von Jahr zu Jahr zu. Im Jahr 2021 belief sich das Marktvolumen für additive Fertigungsdienstleistungen auf rund 6,25 Milliarden US-Dollar, was einem Anteil von 41 % am Gesamtmarktvolumen entspricht – ein deutliches Indiz dafür, dass Dienstleistungen zu einem wichtigen Treiber der Branchenentwicklung geworden sind. Im Inland gibt es derzeit noch relativ wenige Anbieter von additiven Fertigungsdienstleistungen; nach Angaben der befragten Unternehmen beträgt ihr Anteil lediglich etwa 21 %. Einige der bestehenden inländischen Anbieter, darunter Xinfenghe und Kangshuo Group, haben bereits neue Produktionsanlagen in Betrieb genommen; entsprechend wird für das Jahr 2022 mit einem deutlichen Anstieg des inländischen Dienstleistungsmarktes gerechnet. Nach Angaben des Chinesischen Gießereiverbands verfügt China über 26.000 Gießereien, wobei das Marktvolumen für Sandgusskomponenten bei rund 120 Milliarden Yuan liegt. Durch den Einsatz additiver Fertigung lässt sich der Gießprozess von bisher 15 Schritten auf nur noch 8 Schritte verkürzen. Vor dem Hintergrund der „doppelten Kohlenstoffziele“ leistet die additive Fertigungstechnologie weiterhin einen entscheidenden Beitrag zur Digitalisierung und Effizienzsteigerung der Gießindustrie; in den kommenden fünf Jahren dürfte die Nachfrage nach additiven Fertigungsanlagen für Sandformen voraussichtlich 2.000 Einheiten übersteigen.

                                                                                         Umsatzentwicklung der chinesischen Additive-Manufacturing-Industrie 2018–2021

V. Fazit und Ausblick

         Seit ihrer Einführung in den 1990er Jahren hat sich die 3D-Drucktechnologie von der anfänglichen Verarbeitung polymerer Werkstoffe zunehmend auf den Druck mit Metallpulvern ausgerichtet; in diesem Zuge wurden zahlreiche neue Verfahren, Anlagen und Materialien entwickelt und eingeführt. Gegenwärtig schreitet die Innovation im Bereich der Informationstechnologie unablässig voran, sodass die industrielle Produktion in eine neue Phase der Intelligenz und Digitalisierung eintritt – und die 3D-Drucktechnologie wird dabei zu einem leistungsstarken Treiber dieser Entwicklung hin zur Industrialisierung der Intelligenz. In den letzten Jahren sind bei der 3D-Drucktechnologie mit Hochtemperaturlegierungspulvern bereits beachtliche Fortschritte erzielt worden, die in der Luft- und Raumfahrt, im Biomedizinbereich sowie in der Automobilindustrie breite Anwendung finden. Die 3D-Druckbranche verzeichnet ein rasantes Wachstum: Der Umsatz der heimischen Industrie hat 26,5 Milliarden Yuan erreicht, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 30 % in den vergangenen vier Jahren; zudem gibt es mittlerweile mehr als 100 Unternehmen über der festgelegten Größenordnung.

Derzeit werden in unserem Land Hochtemperaturlegierungspulver Die 3D-Drucktechnologie steht nach wie vor vor zahlreichen Herausforderungen: Einerseits betreffen diese die Fließfähigkeit und Korngrößenverteilung der Pulver, ihre Wechselwirkung mit der Wärmequelle, die sich bildende schichtweise Mikrostruktur sowie die Minderung von Defekten und eine bessere Quantifizierung metallurgischer Kennwerte; andererseits umfassen sie die Optimierung der Prozessparameter, die Echtzeitüberwachung, die Festlegung von Prüfstandards, Hochdurchsatztests sowie die Fertigung von großskaligen Bauteilen. Bei der Auslegung von Hochtemperaturlegierungspulvern für den 3D-Druck sind Herstellbarkeit, mechanische Konsistenz, Stabilität und Kosten gleichermaßen zu berücksichtigen. Materialbedingte Engpässe werden zwangsläufig die Verbreitung der 3D-Drucktechnologie beeinflussen; zugleich stellt diese Technologie höhere Anforderungen an die Werkstoffe. Die Entwicklungsrichtungen für 3D-Druck-Hochtemperaturlegierungspulver lassen sich im Wesentlichen in drei Bereiche unterteilen: Erstens gilt es, auf der Basis bestehender Werkstoffe die Zusammenhänge zwischen Werkstoffeigenschaften und -struktur zu verstärken, die Prozessparameter weiter zu optimieren, die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen, die Porosität und den Sauerstoffgehalt zu senken sowie die Oberflächenqualität der gedruckten Bauteile zu verbessern; zweitens ist die Entwicklung neuer Werkstoffe erforderlich, die sich für den 3D-Druck eignen – etwa die Schaffung neuartiger Hochtemperaturlegierungspulver mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und ausgezeichneten mechanischen Gesamteigenschaften; drittens müssen die technischen Normensysteme für 3D-Druck-Pulverwerkstoffe überarbeitet und vervollständigt werden, um die Standardisierung und Regelmäßigkeit der Normen für die Drucktechnologie von Hochtemperaturlegierungswerkstoffen zu gewährleisten.

Sechs 、3D Hinweise zur Druckherstellung im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung

Die Nanjing Jianchuanshi Industrie- und Handels GmbH ist ein auf die mechanische Bearbeitung und Fertigung spezialisiertes Unternehmen, das als Dienstleister für Werkzeuge und Spannvorrichtungen tätig ist und über ein hervorragendes technisches Serviceteam sowie ein leistungsstarkes Liefer- und Service-System verfügt; bezüglich 3D Das Unternehmen verfügt über umfangreiche Bearbeitungserfahrungen in der nachgelagerten Verarbeitung von Druckprodukten sowie in der traditionellen Präzisionsbearbeitung und genießt in der μm-Bearbeitungsbranche einen hervorragenden Ruf sowie ein ausgereiftes technisches Servicekonzept. 3 D Die Nachteile des Druckens im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung sowie die zu beachtenden Punkte bei der nachfolgenden Bearbeitung werden nachstehend zusammengefasst:

    1) Projektvergleich

  2) Hinweise zur 3D-Drucktechnik

    1. Für Gewinde wird empfohlen, sie zu schneiden; das direkte Drucken (einschließlich Innen- und Außengewinde) wird nicht empfohlen.

2. Bei einer Wandstärke, Nutbreite oder Schriftgröße von weniger als 0,5 mm kann nicht garantiert werden, dass das Druckergebnis zufriedenstellend ist;

3. Für Baugruppen ist eine Benachrichtigung zur Zusendung einer Montagezeichnung erforderlich; die Ware wird erst nach vollständiger Montage versendet. Wurde keine entsprechende Benachrichtigung erteilt, übernehmen wir keine Verantwortung für die Montage.

4. Bei Produkten, die montiert werden müssen, ist an jeder Seite des Spalts ein Abstand von 0,15 mm vorzusehen.

5. Bei Bauteilen mit hohen Anforderungen an die lokale Montage (z. B. Lagerbohrungen, Durchmesser und planare Montageflächen) ist vorab ausreichend Bearbeitungszugabe einzuplanen und anschließend mittels zweiter Feinbearbeitung die Passgenauigkeit zu erreichen.

6. Nach dem Hochtemperatursintern im Metall-3D-Druck können einige langgestreckte, dünnwandige Bauteile sowie Schalenstrukturen Verformungen aufweisen; der Vorteil des Metall-3D-Drucks liegt vor allem in der Herstellung komplexer Bauteile, wobei die Genauigkeit und die Oberflächenqualität im Vergleich zur Zerspanung schlechter sind.

7. Natürliche Oberflächenunregelmäßigkeiten (Ra etwa 7);

8. Nachbearbeitung von Metall-3D-Druckmaterialien: Wie bei herkömmlichen Materialien ist auch hier eine nachträgliche zweite Bearbeitung möglich;

9. Für Produkte mit einer Abmessung von bis zu 50 mm beträgt die Drucktoleranz ±0,1 mm; bei größeren Bauteilen richtet sich die Drucktoleranz nach den jeweiligen Konstruktionsunterlagen.

10. Bei großvolumigen Produkten, die in Einzelteile zerlegt und gedruckt werden müssen, sind die Trennstellen sorgfältig zu planen: Dabei sind Bohrungen zu vermeiden, die Verformungserscheinungen zu berücksichtigen und ausreichende Ausrichtungsflächen für die Schweißverbindungen vorzusehen.

Nanjing Jianchuanshi Technik- und Handels GmbH 2023/05/10