1. Übersicht über die Ausrüstung für den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen
Die 3D-Drucktechnologie als revolutionäre additive Fertigungsmethode gewinnt in der Fertigungsindustrie immer mehr an Bedeutung. Durch das Schicht-für-Schicht-Stapeln von Materialien ist es in der Lage, schnell komplexe Präzisionsteile herzustellen, ohne dass herkömmliche Formen erforderlich sind, den Produktionszyklus zu verkürzen, die Materialausnutzung zu verbessern, Kosten zu senken und die Einschränkungen traditioneller Fertigungstechnologien bei der Herstellung komplexer Teile zu durchbrechen. Insbesondere bei der Produktion kleiner Mengen komplexer Teile und der Designoptimierung hat die 3D-Drucktechnologie eine starke Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt bewiesen und ist zu einer Schlüsselkraft bei der Förderung von Fertigungsinnovationen geworden.
Verbundwerkstoffe spielen auch in der modernen Fertigung eine wichtige Rolle. Sie bestehen in der Regel aus zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und erzielen durch die Optimierung des Verhältnisses und der Struktur eine komplementäre Leistung und Verbesserung. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, geringe Dichte, Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit usw. aus. Sie werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Medizintechnik und in anderen Bereichen eingesetzt und tragen zur Gewichtsreduzierung, Verbesserung der Effizienz sowie zur Verbesserung der strukturellen Festigkeit und Leistung bei.
Angesichts der wachsenden Nachfrage nach hochpräzisen und leistungsstarken Teilen ist die Kombination von 3D-Drucktechnologie und Verbundwerkstoffen zu einem unvermeidlichen Trend geworden. . 3D-Druck-Verbundgeräte können Verbundteile schnell und präzise herstellen und die Transformation und Modernisierung der Fertigungsindustrie vorantreiben. Diese Technologie erfüllt nicht nur die strengen Anforderungen für komplexe Teile in High-End-Bereichen, sondern bietet auch innovative Möglichkeiten für andere Bereiche wie wissenschaftliche Forschung und Bildung, Unterhaltungselektronik und kulturelle Kreativität.
Derzeit wurden verschiedene Arten von 3D-Drucktechnologien entwickelt, wie etwa Stereolithographie (SLA), selektives Lasersintern (SLS) und Schmelzauftragsformen (FDM). Die FDM-Technologie hat sich aufgrund ihrer Vorteile wie niedrigen Kosten, einfachen Vorbereitungsverfahren und Anwendbarkeit auf eine Vielzahl von Materialien zu einer der am weitesten verbreiteten 3D-Drucktechnologien auf dem Markt entwickelt. Der Prozess des Polymer-3D-Drucks geht in Richtung niedriger Druckkosten, geringem Energieverbrauch, großer Größe und hoher Druckgeschwindigkeit, wodurch nach und nach eine Massenproduktion realisiert wird und er mit traditionellen Kunststoffproduktionsprozessen konkurriert. Pulverbettverfahren wurden bei der Massenproduktion von Kunststoffteilen eingesetzt, während schnelle Photopolymerisationstechnologien wie DLP und CLIP den Photopolymerisations-3D-Druck für die Kleinserienproduktion ermöglichen, wobei der Schwerpunkt auf Prozessen mit geringem Energieverbrauch und hoher Teileleistung liegt. Auch der Materialextrusions-3D-Druckprozess nähert sich der Reife, bei der Entwicklung wurden Hochgeschwindigkeits- und Großgeräte eingesetzt.
2. Überblick über Branchenentwicklungen
2.1 3Entwicklungsgeschichte von Geräten für den D-Druck von Verbundwerkstoffen
Die Entwicklungsgeschichte der heimischen 3D-Drucktechnologie ist wie ein großartiges Epos der Wissenschaft und Technologie, das die Weisheit und den Mut unzähliger Pioniere dokumentiert und den großen Sprung der chinesischen Wissenschaft und Technologie vom Nachfolger zum Übertreffen bezeugt. . 1980 Das weltweit erste 3D-Druckpatent wurde in Japan geboren, das wie ein Funke von Wissenschaft und Technologie ein Präriefeuer für die Entwicklung der globalen 3D-Drucktechnologie entfachte. In China gründete Professor Yan Yongnian 1988 das Laser Rapid Prototyping Center an der Tsinghua-Universität, das zum Begründer der chinesischen Rapid-Prototyping-Technologie wurde und eine solide Grundlage für die Entwicklung der chinesischen 3D-Drucktechnologie legte. Seitdem hat sich das Tempo der Entwicklung der 3D-Drucktechnologie in China schrittweise beschleunigt. 1993, Chinas erstes 3D-Druckunternehmen wurde gegründet und markierte den offiziellen Start der chinesischen 3D-Druckindustrie. 1994, Prof. Lu Bingheng von der Xi'an Jiaotong-Universität begann, sich der Forschung und Entwicklung von 3D-Druckern zu widmen, deren wissenschaftliche Forschungsergebnisse einen starken Impuls für Chinas unabhängige Innovation der 3D-Drucktechnologie gegeben haben.
Im 21. Jahrhundert leitete Chinas 3D-Drucktechnologie eine schnellere Entwicklung ein. . 2010 Das Team von Professor Shi Yusheng an der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie entwickelte erfolgreich eine Ausrüstung für die additive Fertigung in Industriequalität mit einer Größe von 1,2 m x 1,2 m, dem Arbeitsbereich der damals weltweit größten. Dies unterstreicht Chinas herausragende Stärke auf dem Gebiet der Herstellung großer 3D-Druckgeräte. 2011, Professor Shi Yusheng Dank seiner hervorragenden Technologie fertigte das Team von Prof. Shi Yusheng im Jahr 2011 Gussformen aus großen und komplexen Teilen aus Titanlegierungen für Flugzeuge, Satelliten und Flugtriebwerke für Airbus und die Europäische Weltraumorganisation an. Dabei wandte er Chinas 3D-Drucktechnologie im internationalen High-End-Luft- und Raumfahrtbereich an und gewann internationales Lob.. 2013 Die China 3D Printing Alliance wurde offiziell gegründet und markiert damit Chinas Die 3D-Druckindustrie hat begonnen, sich auf eine neue Stufe der gemeinsamen Entwicklung und kollaborativen Innovation zuzubewegen und eine neue Plattform für technologischen Austausch, Ressourcenintegration und Markterweiterung, Ressourcenintegration und Markterweiterung aufzubauen. Im Jahr 2017 brachte Xi'an Zhimong Chinas erstes e-Beam-Metall-3D-Drucksystem, ZcompleX3, auf den Markt, das die technologischen Lücken im chinesischen e-Beam-Metall-3D-Druckbereich füllte und es China ermöglichte, zu erreichen ein neuer Höhepunkt in der High-End-3D-Drucktechnologie für Metall. Im Jahr 2018 testete das Additive Manufacturing Center der Kunming University of Science and Technology erfolgreich die Produktion der damals größten einzelnen 3D-Druckmaschine unter Verwendung des damals größten einzelnen 3D-Druckgeräts 3D-Drucktechnologie aus Titanlegierungen. 2020, die China Academy of Space Technology (CAST) hat das erste Experiment zum „3D-Druck im Weltraum“ erfolgreich abgeschlossen. Dabei handelt es sich gleichzeitig um das weltweit erste 3D-Druckexperiment mit endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen und damit um Chinas erstes 3D-Druckexperiment im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik. Im Jahr 2020 schloss die China Academy of Space Technology das erste Experiment zum „3D-Druck im Weltraum“ erfolgreich ab, bei dem es sich auch um den weltweit ersten 3D-Druck von endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen handelt. Dies markiert einen großen Durchbruch bei der Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bereich der Luft- und Raumfahrt und stellt neue technologische Mittel für die zukünftige Erforschung und Entwicklung des Weltraums bereit.
2.2 Entwicklungsstand der Verbundwerkstoffausrüstung
Die Anwendung von Verbundwerkstoffen im heutigen Wissenschafts- und Technologiebereich gilt als umfangreich und tiefgreifend, und ihre einzigartigen Leistungsvorteile machen sie zu einem unverzichtbaren Schlüsselmaterial in vielen Branchen. Im Bereich der Luft- und Raumfahrt haben Verbundwerkstoffe einen großen Wandel von der frühen nicht-tragenden-Struktur zur heutigen Hauptlast-tragenden Struktur erlebt. Bei der Herstellung von Flügeln und Rümpfen beispielsweise hat der Einsatz von Verbundwerkstoffen nicht nur das Gewicht von Flugzeugen drastisch reduziert, sondern auch ihre strukturelle Festigkeit und Haltbarkeit deutlich verbessert. Auch im Bereich der Verteidigungsindustrie spielen Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle. Leicht gepanzerte Fahrzeuge, Stealth-Flugzeuge, Raketen und andere Ausrüstungsgegenstände werden häufig in Verbundwerkstoffen eingesetzt. Dank ihrer hohen Festigkeit, geringen Dichte, guten Stealth-Leistung und anderen Eigenschaften können sie die Kampfeffektivität und Überlebensfähigkeit der Ausrüstung wirksam verbessern. Auch in Fahrzeugen mit neuer Energie, Energiespeicherung, Photovoltaik und anderen aufstrebenden Bereichen haben Verbundwerkstoffe ein großes Anwendungspotenzial gezeigt. Bei der Herstellung von Fahrzeugen mit neuer Energie können Verbundwerkstoffe in der Karosserie, dem Batteriegehäuse und anderen Teilen der Fertigung verwendet werden, was dazu beiträgt, das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren, die Reichweite zu verbessern und gleichzeitig die Sicherheit und den Komfort des Fahrzeugs zu erhöhen. Mit der rasanten Entwicklung dieser Bereiche wird die Marktnachfrage nach Verbundwerkstoffen weiter wachsen und einen breiten Raum für die Entwicklung von 3D-Druck-Verbundgeräten bieten.
3. 3Panorama der Industriekette für D-Druck-Verbundwerkstoffe
3.1 Marktgröße
3.1.1 Globale Marktgrößenanalyse für 3D-Druck
Laut den Daten des „Metal AM“-Berichts von VoxelMatters, einem britischen Unternehmen, das sich auf die Forschung der globalen 3D-Druckindustrie konzentriert, belief sich der globale Markt für Metall-3D-Druck im Jahr 2022 auf etwa 2,861 Milliarden US-Dollar, wovon der Marktumfang für Hardware, Materialien und Dienstleistungen 1,476 Milliarden US-Dollar, 398 Millionen US-Dollar bzw. 987 Millionen US-Dollar betrug, was einem Wachstum von 26 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Es wird erwartet, dass der weltweite Markt für 3D-Metalldruck bis 2032 40 Milliarden US-Dollar übersteigt und von 2022 bis 2032 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 30,3 % wächst. Der Bericht identifiziert außerdem zehn führende Unternehmen im globalen Bereich des 3D-Metalldrucks, nämlich EOS, SLM Solutions, 3D Systems, Desktop Metal, GE Additive, BLT, Velo3D, DMG Mori, TRUMPF und HBD, die eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Marktexpansion der globalen 3D-Drucktechnologie für Metall spielen. und Markterweiterung.
3.1.2 Größenanalyse des chinesischen 3D-Druck-Marktes
In China zeigt der 3D-Druckmarkt eine starke Vitalität, und die fünf führenden Unternehmen in Bezug auf Marktanteile sind Luen Thai, Stratasys, EOS, GE und 3D Systems in der Reihenfolge ihres Marktanteils, von denen keines 20 % übersteigt, was die relativ geringe Konzentration in der Branche und den harten Wettbewerb auf dem Markt widerspiegelt und gleichzeitig das enorme Potenzial für die Entwicklung der Branche signalisiert. In den letzten Jahren haben chinesische Fertigungsunternehmen aktiv die 3D-Drucktechnologie eingeführt, um ihre ursprünglichen Produktionsprozesse zu ersetzen oder zu optimieren, wodurch die Intelligenz ihrer Produktion gesteigert und die dringende Forderung der Regierung nach einer Umgestaltung und Modernisierung der chinesischen Fertigungsprodukte erfüllt wird. In Bezug auf die Marktgröße zeigt die Größe der chinesischen 3D-Druckindustrie von Jahr zu Jahr einen stetigen Wachstumstrend, und ihre Wachstumsrate ist etwas schneller als die gesamte globale Wachstumsrate, was dazu führt, dass der Anteil der chinesischen 3D-Industrie an der Welt weiter steigt.
Derzeit nimmt der Umfang der chinesischen 3D-Druckerindustrie von Jahr zu Jahr zu, und die Steigerungsrate ist etwas schneller als die gesamte globale Wachstumsrate, sodass der Anteil der chinesischen 3D-Industrie an der Welt zunimmt. Mit Blick auf die Zukunft ist die Nachfrage nach 3D-Druckern aufgrund der rasanten Entwicklung der Luftfahrt-, Automobil-, Medizingeräte- und anderen Branchen enorm und die Marktgröße wird einen Trend zur schnellen Expansion aufweisen.
3.2 3D Druckausrüstung
3.2.1 FDM/FFF
Die FDM-Technologie (Fused Deposition Molding) ist eine weit verbreitete 3D-Drucktechnologie und basiert auf dem Prinzip, dass fadenförmige Materialien erhitzt und geschmolzen werden und dann von der Düse nach einem computergesteuerten Pfad Schicht für Schicht extrudiert und gestapelt werden. Diese Technologie hat sich derzeit zu einer der am weitesten verbreiteten 3D-Drucktechnologien auf dem Markt entwickelt und bietet die Vorteile niedriger Kosten für Ausrüstung und Druckmaterialien, eines einfachen Vorbereitungsprozesses und der Eignung zum Drucken auf einer Vielzahl von Materialien. Sie hat ihren hervorragenden Einsatzwert in vielen Bereichen unter Beweis gestellt.
Der Stratasys F370®CR FDM®-Verbunddrucker ist ein ikonischer Hochleistungs-3D-Drucker. Es unterstützt den Druck einer breiten Palette hochfester Verbundwerkstoffe und technischer Materialien wie ABS-CF10 und FDM-Nylon-CF10, die zur Herstellung von Teilen mit hervorragender Festigkeit und Haltbarkeit verwendet werden. Der Drucker verfügt über eine variable Teiledichtefunktion, mit der die Strukturdichte im Inneren des Teils flexibel an die unterschiedlichen Nutzungsanforderungen des Teils angepasst werden kann, um den Materialeinsatz zu optimieren und Materialverschwendung zu reduzieren, unter der Voraussetzung, die Leistung des Teils zu gewährleisten. Sein großer Bauraum (355 mm x 254 mm x 355 mm) ermöglicht den Druck großer Teile für die Herstellung hochfester Vorrichtungen, Vorrichtungen und Fertigungswerkzeuge. Darüber hinaus kann die Maschine mit Fertigungsausführungssystemen verbunden werden, um den Produktionsprozess digital zu verwalten und zu überwachen und so die Produktivität und Verwaltungsgenauigkeit zu verbessern.
Die Mark Two- und FX20-Drucker von Markforged sind für durchgängig kohlenstofffaserverstärkte Polymere konzipiert, ein Konstruktionsmerkmal, das ihnen einen erheblichen Vorteil in Bereichen verschafft, in denen die Teilefestigkeit und das geringe Gewicht von entscheidender Bedeutung sind. Die Drucker sind in der Lage, auf einer Vielzahl von Materialien zu drucken, darunter Thermoplaste, Nylon und Endlos-Carbonfasern. Durch das Drucken auf einer Kombination dieser Materialien ist es möglich, die Eigenschaften der verschiedenen Materialien voll auszunutzen, um die Leistung des Teils zu optimieren. Beispielsweise kann der Einsatz des Druckers im Luft- und Raumfahrtbereich bei der Herstellung einiger Teile gleichzeitig die strukturelle Festigkeit der Teile gewährleisten, ihr Gewicht erheblich reduzieren sowie die Treibstoffeffizienz und Leistung des Flugzeugs verbessern. Auch im Bereich der Serviceroboter haben diese Drucker ein breites Anwendungsspektrum und können leichte, hochfeste Strukturkomponenten für Roboter herstellen, das Gesamtgewicht des Roboters reduzieren, seine Bewegungsleistung und Energieeffizienz verbessern, um so die beiden Ziele Kostenreduzierung und Leistungssteigerung zu erreichen. Markforged-Serie: einschließlich Mark2- und Lasersinterverfahren, geeignet für Luft- und Raumfahrt, Automobil, Medizin und andere Bereiche.
Robotersysteme von Arevo Labs und 9T Labs stellen innovative Anwendungen der FDM-Technologie zur Herstellung komplexer Geometrien dar. Diese Systeme nutzen sechs{2}Achsenroboter, um Kurzfaser-Verbundwerkstoffe und CF/PA12-Verbundwerkstoffe effizient zu drucken und komplexe Geometrien auf gekrümmten Oberflächen herzustellen. Beispielsweise nutzt das von Arevo Labs entwickelte Robotersystem zum Drucken von PEEK/CF-Verbundwerkstoffen die Agilität und die hochpräzise Bewegungssteuerung eines Sechs-Achsen-Roboters, um Druckmaterial präzise in komplexen dreidimensionalen Räumen abzulegen und so die Herstellung von Teilen mit komplex gekrümmten Oberflächen und inneren Strukturen zu ermöglichen. Diese Technologie durchbricht die Beschränkungen herkömmlicher 3D-Druckgeräte bei der Herstellung geometrischer Formen und bietet eine völlig neue Lösung für die Herstellung einiger Spezialteile in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilherstellung und anderen Bereichen.. 9T Labs demonstrierte die Fähigkeit, CF/PA12-Verbundmaterialien auf gekrümmten Oberflächen zu platzieren, und bietet außerdem technische Unterstützung für die Herstellung gekrümmter Strukturteile mit hohen Leistungsanforderungen, beispielsweise bei der Herstellung von Rotorblättern-Triebwerken, Radnaben für Kraftfahrzeuge und anderen Komponenten.
Das CF3D™-Verfahren von Continuous Composites ist eine revolutionäre 3D-Drucktechnologie für Endlosfasern. Dieses einzigartige Verfahren macht teure Formen oder Öfen überflüssig und reduziert die Produktionskosten und die Komplexität der Ausrüstung erheblich, indem Industrieroboter zum Bedrucken trockener Fasern und deren Imprägnierung mit Harz vor Ort eingesetzt werden. Die Technologie ist auf die Herstellung von Hochleistungs-Endlosfasern wie Kohlenstofffasern, Glasfasern oder aromatischen Polyamidfasern für die Luft- und Raumfahrt anwendbar, die die mechanischen Leistungsvorteile dieser Hochleistungsfasern voll ausnutzen und Verbundteile mit hoher Festigkeit und hoher Steifigkeit herstellen können. Bei der Herstellung von Strukturbauteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie kann der CF3D™-Prozess beispielsweise zur Herstellung leichter, hochfester Komponenten wie Flügel und Rumpfrahmen eingesetzt werden, die die strengen Anforderungen an leistungsstarke und leichte Komponenten in der Luft- und Raumfahrtindustrie erfüllen.
Zusätzlich zu den oben genannten Geräten gibt es viele weitere FDM-Technologiegeräte, die in ihren jeweiligen Bereichen eine wichtige Rolle spielen. Beispielsweise kann der Ultimaker+ 3D-Drucker mit Verbundmaterialien drucken, die Siliziumnitridpartikel enthalten, die eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit aufweisen und zur Herstellung von Teilen mit hohen Anforderungen an die Verschleißfestigkeit verwendet werden können, beispielsweise verschleißfeste Teile in Industriemaschinen, Formen usw. Der Zmorph 2.0 3D-Drucker druckt mit Keramikpasten, mit denen Teile mit besonderen Keramikeigenschaften hergestellt werden können, beispielsweise hitzebeständige Teile. Zmorph 2.0 3D-Drucker hingegen verwenden Keramikpasten, um Teile mit besonderen Keramikeigenschaften zu drucken, wie z. B. hochtemperatur- und korrosionsbeständige-Keramikteile, die potenzielle Anwendungen in der Chemie- und Elektronikindustrie haben. Diese Geräte werden häufig mit Open-Source-Software (wie Blender und Ultimaker Cura) kombiniert, um Modelle zu entwerfen und zu drucken. Der Einsatz von Open-Source-Software ermöglicht Benutzern eine größere Flexibilität bei der Einstellung von Druckparametern und dem Modelldesign, was die Einsatzschwelle senkt und die weitverbreitete Anwendung und innovative Entwicklung der FDM-Technologie fördert.
3.2.2 SLA
Die Light{0}}Curing Moulding (SLA)-Technologie ist eine hochpräzise 3D-Drucktechnologie, deren Prinzip darin besteht, lichtempfindliche Polymermonomere mit verstärkenden Partikeln oder Fasern zu mischen. Unter der Bestrahlung mit bestimmten Wellenlängen von ultraviolettem Licht veranlasst der Photoinitiator die Polymermonomere zu einer schnellen Photopolymerisationsreaktion, die sie schnell von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand überführt. Anschließend werden sie Schicht für Schicht übereinander gestapelt entsprechend der geplanten Bahn, so dass letztendlich die gewünschten dreidimensionalen Produkte entstehen.
Die SLA-Technologie verfügt über eine sehr hohe Präzision und kann Teile mit extrem hoher Maßgenauigkeit und glatter Oberflächenqualität herstellen. Sie hat ein breites Anwendungsspektrum in Bereichen, die eine sehr hohe Präzision erfordern, wie z. B. Schmuck, Präzisionsformen, medizinische Geräte und andere Branchen. Bei der Schmuckherstellung kann die SLA-Technologie komplexe und exquisite Schmuckmodelle präzise ausdrucken, um sie anschließend zu gießen oder zu verarbeiten, um genaue Muster bereitzustellen, was den Schmuckdesign- und Produktionszyklus erheblich verkürzen und gleichzeitig die Produktqualität und Designfreiheit verbessern kann. Im Hinblick auf die Herstellung von Präzisionsformen kann die SLA-Technologie hochpräzise Formkerne und Hohlräume herstellen, um die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität der Form sicherzustellen und so die Qualität und Konsistenz von Spritzgussprodukten zu verbessern. Für die Herstellung von medizinischen Geräten wie Zahnprothesen, Hörgeräteschalen und anderen kleinen medizinischen Geräten können mit der SLA-Technologie Produkte hergestellt werden, die sich mit hoher Präzision an die menschliche physiologische Struktur anpassen und so die Verwendung medizinischer Geräte und den Komfort verbessern.
Allerdings weist die SLA-Technologie auch einige Einschränkungen auf. Derzeit sind die Arten von Polymerharzmatrix, die für die Lichthärtung geeignet sind, relativ begrenzt, was die Anwendung dieser Technologie im Bereich unterschiedlicher Materialleistungsanforderungen in gewissem Maße einschränkt. Aufgrund der Beschränkung der Art der Harzmatrix kann es sein, dass sie die Anforderungen einiger Spezialteile an die mechanischen Eigenschaften des Materials, die Wärmebeständigkeit, die chemische Stabilität und andere Aspekte nicht erfüllen kann. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass beim Hinzufügen einer Kurzfaserverstärkung während des Druckprozesses Probleme bei der Faserabsetzung auftreten, die zu einer ungleichmäßigen inneren Struktur des Verbundmaterials führen können, was sich negativ auf die Leistungskonsistenz und die Qualitätsstabilität der gedruckten Teile auswirkt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, erforschen Forscher ständig neue lichtempfindliche Harzmaterialien und Faserverstärkungstechnologien, um den Anwendungsbereich der SLA-Technologie zu erweitern und ihre Druckqualität zu verbessern.
3.2.3 LDM/DIW
Direct Ink Writing (DIW)-Technologie: Hierbei handelt es sich um eine Extrusionstechnologie zur Herstellung von 3D-gedruckten Teilen aus Keramik, Metallen und anderen feinen Materialien. DIW-Geräte sind erschwinglich und eignen sich für die schnelle Prototypenerstellung durch Designer. Die Direct Ink Writing (DIW)-Technologie, auch bekannt als Liquid Deposition Moulding (LDM), ist eine einzigartige Extrusionstechnologie für den 3D-Druck.
Bei den in der LDM/DIW-Technologie verwendeten Rohstoffen handelt es sich um Verbundwerkstoffe in Form von Lösungen, Pasten oder Hydrogelen mit einem gewissen Grad an Fließfähigkeit, die durch Nacherhitzen, Aushärten mit ultraviolettem Licht (UV) oder Zugabe von Wirkstoffen ausgehärtet und geformt werden.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, Teile mit Funktions- und Zusammensetzungsgradienten herzustellen. In einigen speziellen Anwendungsszenarien, wie der Herstellung künstlicher Gelenke im biomedizinischen Bereich und der Herstellung von Funktionsgradientenmaterialgeräten im elektronischen Bereich, sind Teile mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen oder Leistungsgradienten erforderlich, um die funktionalen Anforderungen verschiedener Teile zu erfüllen. Die LDM/DIW-Technologie kann die Extrusionsmenge und das Mischungsverhältnis verschiedener Materialtinten während des Druckprozesses präzise steuern. Fasern mit großem Seitenverhältnis und hohem Anteil sollten jedoch nicht hinzugefügt werden, um ein Verstopfen des Druckkopfes während des Druckvorgangs zu vermeiden.
3.2.4 SLS/SLM
Selektives Lasersintern (SLS) ist ein 3D-Druckverfahren, das die von einem Laser erzeugte Wärme nutzt, um Pulver selektiv zu verschmelzen. Unter Verwendung einer Mischung aus Polymermatrix und Verstärkungsfasern des Pulvers erhitzt der Laser gemäß dem 3D-Modell die Querschnittsform des Pulvers in einem bestimmten Bereich, wobei der Schmelzpunkt des relativ niedrigen Polymerpulvers schmilzt und die Matrix- und Verstärkungsverbindung hergestellt wird, um die Komponenten des Verbundwerkstoffs zu erreichen. Höhere Oberflächengenauigkeit, einfaches Entfernen von Stützstrukturen und Recycling von Materialien sind die Vorteile des SLS-Formens. Das Problem dieser Methode besteht jedoch darin, dass die Dichte der beiden Materialien im gemischten Pulver normalerweise unterschiedlich ist, was zu Ausfällungsphänomenen führt und dazu führt, dass die Produktzusammensetzung nicht gleichmäßig ist. Darüber hinaus stellt SLS strenge Anforderungen an die Partikelgröße des Rohmaterials, sodass die allgemeine Verwendung von Kurzfasern mit einer Länge von 20–250 μm und die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials nur begrenzte Verbesserungen bringen.
4 Zukünftige Entwicklung
Die technologische Entwicklung treibt die Verbundwerkstoffindustrie dazu, neue Möglichkeiten auf dem Lufttransportmarkt zu eröffnen. Inter-Flugtaxidienste (AAM-Markt) mit vollständig-elektrischen eVTOL-Flugzeugen mit einer Reichweite von rund 150 km erfordern Hochleistungsverbundteile, bei denen die 3D-Drucktechnologie eine Schlüsselrolle spielen wird. Obwohl derzeit nur eine Handvoll Unternehmen gut finanziert sind, ist das Marktpotenzial enorm: Bis 2030 werden voraussichtlich Tausende von Lufttaxis in Betrieb sein, was Marktraum für 3D-gedruckte Verbundausrüstung schaffen wird.
Verbundwerkstoffe spielen auch bei der Herstellung von Großflugzeugen eine wichtige Rolle. Beispielsweise kommt beim C919-Flugzeug in großem Umfang eine Vielzahl von Verbundwerkstoffen zum Einsatz, darunter hochfeste Kohlefaserverbundwerkstoffe der Güteklasse T800-auf der Basis von gehärtetem Epoxidharz--, Glasfaserverbundwerkstoffe, Aramid-Wabenmaterialien, Fanschaufeln aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen und Turbinenkomponenten aus Verbundwerkstoffen auf Keramikbasis-. Diese Anwendungen haben die Leistung von Flugzeugen verbessert und die Bedeutung von Verbundwerkstoffen bei der Herstellung großer Flugzeuge gezeigt. Da sich die Technologie weiterentwickelt und die Anforderungen an Leistung, Präzision und Zuverlässigkeit von Verbundwerkstoffteilen steigen, bietet die 3D-Drucktechnologie eine effiziente, qualitativ hochwertige Lösung.
Der Fortschritt der 3D-Drucktechnologie hat ihre Anwendung im Bereich der Verbundwerkstoffe vorangetrieben. Die Forschung und Entwicklung neuer Materialien hat die Arten von 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen bereichert und ihre Leistung verbessert; Durch die Verbesserung von Druckverfahren wie dem Mikrowellen-Heizdruck und dem ultraschallunterstützten 3D-Druck konnten die Druckgeschwindigkeit und die Qualität der Produkte verbessert werden. und die Innovation der Düsentechnologie, wie z. B. Multi-Düsen und Hoch-Präzisionsdüsen, hat die Präzision und Komplexität der Produkte verbessert. Der Reifegrad der Technologie und die Ausweitung des Marktumfangs haben die Kosten für 3D-Druckgeräte gesenkt, und mehr Unternehmen und Forschungseinrichtungen können sich die Kosten für 3D-Druck-Kompositgeräte leisten, was deren breite Anwendung fördert.
Die Ausrüstung für den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen zeigt ihren einzigartigen und leistungsstarken Charme und Wert im Kontext der rasanten technologischen Entwicklung. Die Industriekette reicht von der sorgfältigen Auswahl und Bereitstellung von Rohstoffen im Upstream über die Herstellung und Optimierung von Kernhardware, Hilfsbetriebsausrüstung und verschiedenen Arten von 3D-Druckgeräten im Midstream bis hin zur breiten Anwendung in vielen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil, Medizin und Unterhaltungselektronik im Downstream, wodurch ein vollständiges und geschlossenes industrielles Ökosystem entstanden ist.
Im Anwendungsbereich haben 3D-Druck-Verbundgeräte in vielen High-End-Fertigungsbereichen eine unersetzliche Rolle gespielt. Im Bereich der Luft- und Raumfahrt trägt es dazu bei, dass Flugzeuge leichtgewichtig und leistungsstark sind. im Bereich des Automobilbaus fördert es die Entwicklung von Automobilen in Richtung Personalisierung und Intelligenz; Im Bereich der medizinischen Behandlung leistet es starke Unterstützung für eine personalisierte und präzise medizinische Behandlung.
Dennoch stehen 3D-Druckgeräte für Verbundwerkstoffe auf technischer Ebene immer noch vor Herausforderungen wie der Verbesserung der Materialleistung, der Druckeffizienz und der Verbesserung des Qualitätsstandards. Die hohen Kosten schränken auch seine Popularisierung ein. Darüber hinaus hemmt auch der Mangel an interdisziplinären Fachkräften die Entwicklung der Branche. Zukünftig werden Materialinnovation, Technologieintegration und Anwendungserweiterung die Hauptentwicklungsrichtung sein. Die Forschung und Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe wird die Anwendungsbereiche erweitern und die 3D-Drucktechnologie wird mit künstlicher Intelligenz, Big Data, dem Internet der Dinge und anderen Technologien integriert, um die Druckqualität und -effizienz zu verbessern. Gleichzeitig wird der 3D-Druck seine Anwendung in den Bereichen Bauwesen, Energie, Kultur und Kreativität erweitern und die Innovation und Entwicklung verwandter Branchen fördern.
Quelle: „China Composites Industry Association“