Als typischer Vertreter der Technologie im Fertigungsbereich der dritten industriellen Revolution hat die Entwicklung des 3D-Drucks stets breite Aufmerksamkeit aus allen Gesellschaftsschichten auf sich gezogen.
Die Metall-Hochleistungs-Additive-Fertigungstechnologie (Metall-3D-Drucktechnologie) wird von Branchenexperten als ein schwieriger und hochstandardisierter Entwicklungszweig im Bereich des 3D-Drucks angesehen und spielt eine entscheidende Rolle in der industriellen Fertigung.
Der Antarktische Bär hat ebenfalls die Entwicklung des Metall-3D-Drucks aufmerksam verfolgt.
Heutzutage forschen und entwickeln industrielle Fertigungsunternehmen weltweit intensiv an der Metall-Additive-Fertigungstechnologie, insbesondere Luft- und Raumfahrtunternehmen, die sogar erhebliche finanzielle und materielle Ressourcen aufwenden, um ihre Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zu erhöhen und ihre technologische Führungsposition zu sichern.
Vor dem Hintergrund der Rückkehrstrategie der US-Fertigung und der deutschen Industrie 4.0 bietet das internationale Umfeld dem 3D-Druck auch unverzichtbare Nährstoffe für sein Wachstum.
Ob es sich um das neu gegründete Nationale Additive Fertigungszentrum in den Vereinigten Staaten oder das britische Technologie-Strategiekomitee handelt, die Luft- und Raumfahrt ist das primäre Anwendungsgebiet für additive Fertigungstechnologie.
Im Oktober 2012 machte Lu Yongxiang, der ehemalige Präsident der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und stellvertretende Vorsitzende des Nationalen Volkskongresses, deutlich, dass Chinas 3D-Technologie ebenfalls zuerst im Bereich der Luft- und Raumfahrt angewendet wird.
Als die strahlende Perle in der Krone der Industrie integriert das Luft- und Raumfahrtfertigungsfeld alle Hochtechnologien eines Landes und ist das Rückhaltfeld, in dem der nationale strategische Plan umgesetzt und die politische Situation dargestellt werden kann.
Als brandneue Fertigungstechnologie hat die Metall-3D-Technologie herausragende Anwendungs-vorteile im Bereich der Luft- und Raumfahrt und offensichtliche Servicevorteile.
Sie zeigt sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten:.
Die meisten Bereiche der Luft- und Raumfahrtindustrie verwenden teure strategische Materialien, wie schwer zu verarbeitende Metallmaterialien wie Titanlegierungen und nickelbasierte Superlegierungen. Die Ausnutzungsrate von Materialien in traditionellen Fertigungsmethoden ist sehr niedrig, im Allgemeinen nicht mehr als 10% oder sogar nur 2%-5%. Die enorme Materialverschwendung bedeutet auch, dass die Bearbeitungsverfahren kompliziert sind und die Produktionszeit lang ist. Wenn es sich um ein technisches Teil handelt, das schwer zu verarbeiten ist, wird der Bearbeitungszyklus erheblich verlängert, und der Fertigungszyklus wird signifikant verlängert, was zu höheren Herstellungskosten führt.
Die Metall-3D-Drucktechnologie, als eine Technologie zur nahezu netzförmigen Formgebung, kann mit nur einer geringen Menge an Nachbearbeitung in Betrieb genommen werden, und die Ausnutzungsrate von Materialien hat 60% erreicht, manchmal sogar mehr als 90%. Dies reduziert nicht nur die Herstellungskosten und spart Rohstoffe, sondern entspricht auch der vom Land vorgeschlagenen Strategie für nachhaltige Entwicklung.
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Auf einem Symposium, das 2014 von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften abgehalten wurde, sagte Professor Wang Huaming von der Beihang-Universität einmal, dass China jetzt den Glasfensterrahmen des Cockpits des C919-Flugzeugs in nur 55 Tagen drucken kann. Wang Huaming sagte auch, dass ein europäisches Flugzeugbauunternehmen sagte, dass es mindestens 2 Jahre dauern würde, um dasselbe zu produzieren, und es würde allein 2 Millionen US-Dollar kosten, um die Form herzustellen. Chinas Einsatz von 3D-Drucktechnologie verkürzt nicht nur den Produktionszyklus, verbessert die Effizienz, sondern spart auch Rohstoffe, was die Produktionskosten erheblich senkt.
(3) Optimierung der Struktur von Bauteilen, Gewichtsreduktion, Reduzierung der Spannungs Konzentration und Erhöhung der Lebensdauer
Für Luft- und Raumfahrtwaffen und -geräte ist die Gewichtsreduktion ein ewiges Thema. Sie kann nicht nur die Flexibilität von Fluggeräten während des Fluges erhöhen, sondern auch die Tragfähigkeit steigern, Treibstoff sparen und die Flugkosten senken. Die traditionelle Fertigungsmethode hat jedoch bereits die Gewichtsreduktion von Bauteilen maximiert, und es ist unrealistisch, die verbleibende Kapazität weiter auszuschöpfen.
Der Einsatz von 3D-Technologie kann jedoch die Struktur komplexer Bauteile optimieren. Unter der Voraussetzung der Gewährleistung der Leistung kann die komplexe Struktur in eine einfache Struktur umgewandelt und neu gestaltet werden, wodurch das Gewicht reduziert wird. Darüber hinaus kann durch die Optimierung der Struktur der Bauteile die Spannung der Bauteile in der rationalsten Verteilung dargestellt werden, was das Risiko von Ermüdungsrissen verringert und somit die Lebensdauer erhöht. Temperaturkontrolle durch eine angemessene und komplexe innere Strömungskanalstruktur realisieren, um das Design und die Nutzung zu optimieren. DLP-Materialien(liqcreate wax castable und liqcreate premium model), oder die beliebige freie Formgebung verschiedener Teile durch die Kombination von Materialien realisieren, um die Nutzungsstandards zu erfüllen.
Das Fahrwerk eines Kampfjets ist ein Schlüsselteil, das hohe Lasten und hohe Stöße trägt, was Teile mit hoher Festigkeit und hoher Schlagfestigkeit erfordert. Das mit 3D-Technologie hergestellte Fahrwerk des amerikanischen F16-Kampfjets erfüllt nicht nur die Nutzungsstandards, sondern hat auch eine durchschnittliche Lebensdauer, die 2,5-mal so hoch ist wie die des Originals.
(4) Reparatur und Formgebung von Bauteilen
Neben der Verwendung von Metall-3D-Drucktechnologie in der Produktion und Fertigung ist ihr Anwendungswert bei der Reparatur von metallischen Hochleistungsbauteilen keineswegs geringer als die Fertigung selbst. Was die aktuelle Situation betrifft, ist das Potenzial der Metall-3D-Drucktechnologie in der Reparaturformgebung sogar höher als die Fertigung selbst.
Nehmen wir die Hochleistungsintegralturbinenbliskteile als Beispiel. Wenn eine bestimmte Schaufel auf der Scheibe beschädigt ist, wird der gesamte Turbinenblisk verschrottet, und der direkte wirtschaftliche Verlust beträgt mehr als eine Million. Im Vergleich zur Vergangenheit kann dieser Verlust irreparabel und herzzerreißend sein, aber basierend auf den Eigenschaften des 3D-Drucks, der schichtweisen Fertigung, müssen wir die beschädigte Schaufel nur als ein spezielles Substrat betrachten und eine laserbasierte dreidimensionale Formgebung am beschädigten Teil durchführen, die Form des Teils kann wiederhergestellt werden, und die Leistung erfüllt die Anforderungen der Nutzung, sogar höher als die des Grundmaterials. Aufgrund der Kontrollierbarkeit des 3D-Druckprozesses ist die negative Auswirkung seiner Reparatur sehr begrenzt.
Tatsächlich sind 3D-gedruckte Teile einfacher zu reparieren und passen besser zusammen. Im Vergleich zu anderen Fertigungstechnologien ist es im 3D-Reparaturprozess aufgrund der Lücke zwischen dem Fertigungsprozess und den Reparaturparametern schwierig, die Konsistenz des Reparaturbereichs und des Substrats in Bezug auf Gewebe, Zusammensetzung und Leistung aufrechtzuerhalten. Aber dieses Problem besteht nicht, wenn 3D-geformte Teile repariert werden. Der Reparaturprozess kann als Fortsetzung des additiven Fertigungsprozesses betrachtet werden, und der Reparaturbereich und das Substrat können eine optimale Übereinstimmung erreichen. Dies realisiert einen positiven Kreislauf im Teilefertigungsprozess, kostengünstige Fertigung + kostengünstige Reparatur = hoher wirtschaftlicher Nutzen.
(5) Zusammenarbeit mit traditioneller Fertigungstechnologie und gegenseitige Ergänzung
Traditionelle Fertigungstechnologie eignet sich für die Produktion von großvolumigen Formteilen, während 3D-Drucktechnologie besser für die Herstellung von personalisierten oder verfeinerten Strukturprodukten geeignet ist. Durch die Kombination von 3D-Drucktechnologie und traditioneller Fertigungstechnologie nutzt jede ihre Stärken, spielt ihre jeweiligen Vorteile voll aus und macht die Fertigungstechnologie leistungsfähiger.
Zum Beispiel können für Teile, die eine hohe Leistungsqualität an der Oberfläche, aber eine durchschnittliche Leistung im Inneren erfordern, traditionelle Fertigungstechniken verwendet werden, um zentral geformte Teile herzustellen, und dann kann die Laserstereoformungstechnologie verwendet werden, um direkt Oberflächenbauteile auf diesen zentralen Teilen zu formen. Auf diese Weise werden Teile mit hoher Oberflächenleistung und allgemeinen Anforderungen im Zentrum produziert, was die Komplexität des Prozesses spart und den Produktionsprozess reduziert. Diese ergänzende Kombination hat einen wichtigen praktischen Anwendungswert in der Produktion und Teilefertigung.
Darüber hinaus ist es bei Komponenten mit einer einfachen externen Struktur, aber einer komplexen internen Struktur so, dass bei der Verwendung traditioneller Fertigungstechnologie zur Herstellung der internen komplexen Struktur der Prozess umständlich ist und die nachfolgenden Bearbeitungsschritte kompliziert sind, was zu Produktionskosten führt und den Produktionszyklus verlängert. Die externe Verwendung traditioneller Fertigungstechnologie und die interne Verwendung von 3D-Drucktechnologie sind direkt nah an der Nettoform, sodass nur eine geringe Anzahl von Nachbearbeitungsschritten die Produktfertigung abschließen kann. Dies verkürzt den Produktionszyklus, senkt die Kosten und ermöglicht die perfekte Abstimmung traditioneller Technologie und neuer Technologie, um Interoperabilität und Komplementarität zu erreichen.
Als primäres Anwendungsfeld der 3D-Drucktechnologie hat die Luft- und Raumfahrt offensichtliche technische Vorteile, aber das bedeutet nicht, dass Metall-3D-Druck allmächtig ist. In der tatsächlichen Produktion gibt es noch viele Probleme, die in seiner technischen Anwendung gelöst werden müssen. Zum Beispiel kann 3D-Druck derzeit nicht an die Massenproduktion angepasst werden, kann keine hohen Präzisionsanforderungen erfüllen und kann keine hocheffiziente Fertigung erreichen. Darüber hinaus ist ein Schlüsselfaktor, der die Entwicklung des 3D-Drucks einschränkt, die hohen Kosten seiner Ausrüstung, und die meisten zivilen Bereiche können sich solche hohen Ausrüstungskosten nicht leisten. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Materialtechnologie, Computertechnologie und Lasertechnologie werden die Fertigungskosten jedoch weiter sinken, um die Fähigkeit der Fertigungsindustrie zur Tragung von Produktionskosten zu erfüllen. Zu diesem Zeitpunkt wird der 3D-Druck im Fertigungsbereich strahlen.
