Welche Technologie wird den 3D-Druck dominieren?

Da der 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, immer mehr zu einem Schlüsselbestandteil der fortschrittlichen Fertigung wird, ist es wichtig, ihn weiterzuentwickeln

3D printing, also known as additive manufacturing, is rapidly becoming a crucial component of advanced manufacturing processes. As 3D-printed parts and components are frequently utilized in highly demanding applications, such as automotive engines, rockets, and military equipment, any failure in a single component can have catastrophic consequences.

Der 3D-Druck, auch als additive Fertigung bekannt, entwickelt sich schnell zu einem entscheidenden Bestandteil fortschrittlicher Fertigungsprozesse. Da 3D-gedruckte Teile und Komponenten häufig in sehr anspruchsvollen Anwendungen wie Automobilmotoren, Raketen und militärischer Ausrüstung eingesetzt werden, kann jeder Ausfall einer einzelnen Komponente katastrophale Folgen haben.

To mitigate this risk and pave the way for 3D printing to become the dominant manufacturing method, surpassing traditional techniques like melting metal in casts and machining, continuous optimization of the 3D printing process is paramount.

Um dieses Risiko zu mindern und den Weg dafür zu ebnen, dass der 3D-Druck zur vorherrschenden Fertigungsmethode wird und traditionelle Techniken wie das Schmelzen von Metall in Gussteilen und die maschinelle Bearbeitung übertrifft, ist eine kontinuierliche Optimierung des 3D-Druckprozesses von größter Bedeutung.

Among the various 3D printing techniques, laser powder bed fusion is particularly suited for precision manufacturing. Researchers at the University of Wisconsin-Madison and Argonne National Laboratory have recently employed advanced X-ray imaging to analyze this process meticulously, uncovering promising avenues to drastically reduce defects during manufacturing. Their findings were published in the International Journal of Machine Tools and Manufacture, under the title “Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging”.

Unter den verschiedenen 3D-Drucktechniken eignet sich das Laser-Pulverbettschmelzen besonders für die Präzisionsfertigung. Forscher der University of Wisconsin-Madison und des Argonne National Laboratory haben kürzlich fortschrittliche Röntgenbildgebung eingesetzt, um diesen Prozess akribisch zu analysieren und vielversprechende Wege aufzudecken, um Fehler während der Herstellung drastisch zu reduzieren. Ihre Ergebnisse wurden im International Journal of Machine Tools and Manufacture unter dem Titel „Revealing Mechanisms of Processing Defect Mitigation in Laser Powder Bed Fusion via Shaped Beams Using High-Speed ​​X-Ray Imaging“ veröffentlicht.

The Mechanics of Laser Powder Bed Fusion

Die Mechanik der Laser-Pulverbettfusion

In powder bed 3D printing, a layer of powder containing the material used for additive manufacturing is spread out in a container. A laser then selectively melts/fuses the powder in the zone that will eventually form the 3D-printed item.

Beim Pulverbett-3D-Druck wird eine Pulverschicht, die das für die additive Fertigung verwendete Material enthält, in einem Behälter ausgebreitet. Anschließend schmilzt/verschmilzt ein Laser selektiv das Pulver in der Zone, aus der schließlich das 3D-gedruckte Objekt entsteht.

Following this, another layer of powder is deposited on top, and the portions that need to be melted and added to the item are once again targeted by the laser. By repeating this process over time, even highly complex shapes and relatively large items can be produced.

Anschließend wird eine weitere Pulverschicht darauf aufgetragen und die zu schmelzenden und dem Gegenstand hinzuzufügenden Anteile werden erneut vom Laser anvisiert. Durch die Wiederholung dieses Prozesses über einen längeren Zeitraum können sogar sehr komplexe Formen und relativ große Artikel hergestellt werden.

You can observe laser powder bed fusion in action in this video, along with examples of items that can be made using this technique.

In diesem Video können Sie die Laser-Pulverbettschmelzung in Aktion beobachten und Beispiele für Gegenstände sehen, die mit dieser Technik hergestellt werden können.

This method is not limited to plastics; it can also be used to create items made of metals, including titanium, steel, cobalt-chromium, aluminum, and more.

Diese Methode ist nicht auf Kunststoffe beschränkt; Es kann auch zur Herstellung von Gegenständen aus Metallen wie Titan, Stahl, Kobalt-Chrom, Aluminium und mehr verwendet werden.

The advantages of this method lie in its ability to create precise geometry, with tolerances of +/- 0.2mm, which are comparable to metal injection molding, and its efficiency in material usage, as the unused powder can be collected back and reused.

Die Vorteile dieser Methode liegen in der Fähigkeit, präzise Geometrien mit Toleranzen von +/- 0,2 mm zu erzeugen, die mit dem Metallspritzguss vergleichbar sind, und in der Effizienz im Materialverbrauch, da das nicht verwendete Pulver zurückgewonnen und wiederverwendet werden kann.

Moreover, by simultaneously using multiple lasers, which is typically found in more advanced 3D printer designs, larger parts can be printed quickly.

Darüber hinaus können durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Laser, wie sie typischerweise in fortschrittlicheren 3D-Druckerdesigns zu finden sind, größere Teile schnell gedruckt werden.

It's important to note that laser powder bed fusion encompasses several sub-techniques, including:

Es ist wichtig zu beachten, dass das Laser-Pulverbettschmelzen mehrere Untertechniken umfasst, darunter:

Revealing Mechanisms to Prevent 3D Printing Failures

Aufdeckung von Mechanismen zur Verhinderung von Fehlern beim 3D-Druck

In theory, additive manufacturing of metal parts should yield results equivalent to those obtained from traditional casted parts. However, in practice, issues can arise, such as pores, or “voids,” on the surfaces, and large spatters.

Theoretisch sollte die additive Fertigung von Metallteilen zu Ergebnissen führen, die denen herkömmlicher Gussteile entsprechen. In der Praxis können jedoch Probleme wie Poren oder „Lunker“ auf den Oberflächen und große Spritzer auftreten.

Such structural imperfections can lead to the parts breaking, which is unacceptable in critical applications.

Solche strukturellen Mängel können zum Bruch der Teile führen, was bei kritischen Anwendungen nicht akzeptabel ist.

“Because we understood the underlying mechanisms, we could more quickly identify the right processing conditions to produce high-quality parts using the ring-shaped beam.”

„Da wir die zugrunde liegenden Mechanismen verstanden haben, konnten wir schneller die richtigen Verarbeitungsbedingungen identifizieren, um mithilfe des ringförmigen Strahls hochwertige Teile herzustellen.“

Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering at UW-Madison

Lianyi Chen – Außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UW-Madison

The Ring-Shaped Laser Beam

Der ringförmige Laserstrahl

The first modification made by the researchers to their 3D printing setup was to replace the standard laser beam with a ring-shaped laser beam, which was provided by nLight, a laser company specializing in semiconductor lasers.

Die erste Modifikation, die die Forscher an ihrem 3D-Druckaufbau vornahmen, bestand darin, den Standardlaserstrahl durch einen ringförmigen Laserstrahl zu ersetzen, der von nLight, einem auf Halbleiterlaser spezialisierten Laserunternehmen, bereitgestellt wurde.

This distinct shape facilitates better circulation of the melted metal within the melt pool overall and results in smaller waves on the surface of the freshly created item, reducing the size and distance traveled by the spatters.

Diese besondere Form erleichtert insgesamt eine bessere Zirkulation des geschmolzenen Metalls im Schmelzbad und führt zu kleineren Wellen auf der Oberfläche des frisch erzeugten Gegenstands, wodurch die Größe und die zurückgelegte Strecke der Spritzer verringert werden.

Matching Model And Observations

Passendes Modell und Beobachtungen

The researchers went on to verify these observations using the high-energy synchrotron X-ray facility at Argonne National Laboratory. They employed this facility to capture high-speed snapshots of the 3D printing process, which allowed them to check whether their mathematical model accurately simulated reality.

Anschließend überprüften die Forscher diese Beobachtungen mithilfe der Hochenergie-Synchrotron-Röntgenanlage am Argonne National Laboratory. Sie nutzten diese Einrichtung, um Hochgeschwindigkeits-Schnappschüsse des 3D-Druckprozesses zu erfassen und so zu überprüfen, ob ihr mathematisches Modell die Realität genau simulierte.

3D Printing At A Quicker Pace

3D-Druck in einem schnelleren Tempo

Another achievement was the ability of the ring-shaped beam to penetrate deeper into the powder without causing more instability. This led to thicker layers without compromising the strength of the finished product.

Eine weitere Errungenschaft war die Fähigkeit des ringförmigen Strahls, tiefer in das Pulver einzudringen, ohne mehr Instabilität zu verursachen. Dies führte zu dickeren Schichten, ohne die Festigkeit des Endprodukts zu beeinträchtigen.

As the production ultimately requires fewer layers, this speeds up manufacturing and increases the overall productivity of the machine.

Da die Produktion letztendlich weniger Schichten erfordert, beschleunigt dies die Fertigung und erhöht die Gesamtproduktivität der Maschine.

An Example of Powder Bed Fusion in Practice

Ein Beispiel für Pulverbettfusion in der Praxis

This line of work is far from being merely an academic demonstration; it has the potential to directly improve powder bed fusion machinery already used in the industry.

Diese Arbeit ist weit davon entfernt, nur eine akademische Demonstration zu sein; Es hat das Potenzial, bereits in der Industrie eingesetzte Pulverbettschmelzmaschinen direkt zu verbessern.

A prime example would be in aeronautics, with the fuel nozzle on General Electric’s GE9X engine, which is used on Boeing 777 aircraft.

Ein Paradebeispiel wäre die Luftfahrt, mit der Treibstoffdüse des GE9X-Triebwerks von General Electric, das in Boeing 777-Flugzeugen verwendet wird.

The GE9X is the largest turbo-fan engine produced, and the additively manufactured nozzle is five times more durable than previous versions.

Das GE9X ist das größte produzierte Turbofan-Triebwerk und die additiv gefertigte Düse ist fünfmal langlebiger als frühere Versionen.

It's worth noting that such developments are still very recent, with the GE9X design being approved by the FAA in 2020.

Es ist erwähnenswert, dass solche Entwicklungen noch sehr jung sind und das GE9X-Design 2020 von der FAA genehmigt wurde.

Even a higher quality powder bed fusion process, as well as a quicker one, could improve the design further while at the same time reducing its costs.

Auch ein qualitativ hochwertigeres und schnelleres Pulverbettschmelzverfahren könnte das Design weiter verbessern und gleichzeitig die Kosten senken.

The Future of 3D Printing: Advanced Manufacturing Domination

Die Zukunft des 3D-Drucks: Vorherrschaft in der fortschrittlichen Fertigung

We have previously covered how 3D Printing is consolidating into the future of manufacturing.

Wir haben bereits darüber berichtet, wie sich der 3D-Druck in der Zukunft der Fertigung etabliert.

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