//www.ganjiayu.com 三维科学, 无限可能! Thu, 14 Nov 2024 02:31:28 +0000 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=3.9.40 构建非常精细的火箭喷管薄壁冷却通道,欧盟资助的ENLIGHTEN(欧洲低成本、创新和绿色高推力发动机)项目 //www.ganjiayu.com/?p=36159 //www.ganjiayu.com/?p=36159#comments Fri, 05 Apr 2024 10:04:23 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=36159 太空从未显得如此可接近,太空飞行触手可及。为了提高欧洲太空运输系统的竞争力,作为欧盟资助的 ENLIGHTEN 项目的一部分,弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT的研究人员 Min-Uh Ko、Jochen Kittel 及其团队正在开发一种增材制造的火箭喷管,可大幅提高火箭生产的速度和成本效益。

Fraunhofer _LMD▲ 激光材料沉积 (LMD) 的增材制造技术
© 德国亚琛Fraunhofer ILT

定向能量沉积增材制造技术,允许整个推力室总成(TCA)在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道,从而无需进行封闭操作,这样的好处是明显的,不仅可以显着减少零件和焊接操作,并使得整个推力室总成(TCA)更加可多次利用。

3D科学谷

block 非常精细的薄壁冷却通道

除了其大型的构建外壳外,正在研究的设计还具有非常精细的薄壁冷却通道,这种结构通过传统加工制造技术往往非常复杂。该喷管旨在用作阿丽亚娜太空计划下一代火箭的组件,增强欧洲航天工业的技术主权和竞争力。

aliyana▲ 阿丽亚娜5号成功发射
© 欧空局/法国国家空间研究中心/阿丽亚娜航天公司

在ENLIGHTEN(欧洲低成本、创新和绿色高推力发动机倡议)项目中,Fraunhofer ILT 的团队将目光投向了欧洲航天工业的成功未来,科学家们正在研究新技术,以降低太空旅行的成本并增强欧洲在该领域的竞争能力。该项目共有18个合作伙伴参与,得到了欧盟委员会的积极支持,旨在维护欧洲在航天领域的技术主权,并能够在日益激烈的全球竞争中保持创新力。

block 突破可能性的极限

突破成本太高,速度太慢的瓶颈:作为该项目的一部分,弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhofer ILT 的专家们实际上正在为欧洲太空旅行带来新的推动力。3D科学谷了解到他们的计划是使用激光材料沉积 (LMD) 的增材制造技术生产火箭发动机的喷管,并按比例建造一个演示器。

Fraunhofer ILT_LMD 2

特别之处在于 LMD 激光材料沉积增材制造技术提供的广泛可能性可以极大地提高新一代火箭喷嘴的制造速度和成本效益。除了其大型构建外壳外,正在研究的设计还具有非常精细的薄壁冷却通道。

Valley_火箭© 3D科学谷白皮书

灵活、高效、准确——因而具有开创性

其他方法,例如线材电弧增材制造 (WAAM) 和激光粉末床熔融 (LPBF),要么无法生产相对复杂的结构,要么生产效率明显低于 LMD激光材料沉积增材制造技术。最重要的是,LPBF激光粉末床熔融增材制造技术存在很大的尺寸限制。

whitepaper_Aerospace_28▲ 航空航天增材制造应用发展方向
© 3D科学谷白皮书

火箭推进器喷管的薄壁结构需要具有特定光束质量的激光源,以产生直径极小的光束。Fraunhofer ILT激光研究所在这一领域特别强大,因为研究所内部拥有各种激光源和光学配置,可以根据具体应用进行调整。

让火箭制造加速发展

弗劳恩霍夫 ILT 正在开发的喷嘴旨在用作Ariane阿丽亚娜计划下一代火箭的组件。Ariane集团是负责ENLIGHTEN 项目的总体协调者。事实上,火箭喷管已经可以使用传统方法生产。但传统制造工艺目前涉及许多单独的工艺组合,这带来了时间和成本的挑战。由于没有制造商可以在单个生产地点执行所有步骤,组件必须移动到多个地点完成不同的工艺步骤, 这创建了一个显着延长生产和交货时间的流程链。

3D打印可以消除许多单独步骤的工艺技术,从而显着降低成本,但这还不是全部。与此同时,3D打印将大大缩短生产火箭喷管所需的时间。之前,这个过程需要几个月的时间,跨越一个季度以上。

强强联手,实现梦想的星辰大海

除了生产技术和实现演示器之外,Fraunhofer ILT 的专家还专注于过程监控和质量保证。该团队的目标是优化 Fraunhofer ILT 开发的技术的可靠性和稳健性,以便研究人员可以将其转移到工业界以供未来大规模生产。因此,同时使用过程监控系统,目的是利用传感器数据来定位和消除潜在的过程异常,从而全面确保组件质量。

一旦弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhofer ILT 成功开发出工艺和演示器,这将是一个突破。3D科学谷了解到凭借弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhofer ILT 的成果,可以让工业界在自己的设施中使用 LMD 激光材料沉积增材制造技术生产出同样其他大型、复杂和精密的结构,以供应航空航天业。

正如ENLIGHTEN项目合作伙伴的倡议表明,如果欧洲各国联手,可以继续在全球太空旅行和探索中发挥重要作用。在该项目的引导下,欧洲正在实现一系列可靠且有竞争力的欧洲太空运输系统项目的最新研究成果。由此看来,欧洲太空运输系统的未来一片光明。

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Fraunhofer开发的新型人工智能驱动3D打印义眼 //www.ganjiayu.com/?p=35748 //www.ganjiayu.com/?p=35748#comments Sun, 03 Mar 2024 11:32:50 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=35748 近日,根据3D科学谷的市场观察,弗劳恩霍夫计算机图形研究所Fraunhofer IGD 的研究人员开发了一种新的人工智能 (AI) 驱动的自动化方法,用于 3D 打印义眼。研究团队声称,其新方法可以更快、更轻松地生产外观自然、更舒适的定制眼植入物。

Fraunhofer_eye▲ 3D打印义眼
© Fraunhofer

block 缩短80%生产时间

据 Moorfields Eye Charity 称,全球有超过800万人至少佩戴一只假眼,由于磨损,人工眼睛通常需要每五到十年更换一次,而当前的手工生产过程在可重复性和准确性方面面临挑战。因此,研究人员希望3D打印工艺能够满足假眼的高市场需求。

弗劳恩霍夫计算机图形研究所Fraunhofer IGD的人工智能 (AI) 驱动的自动化3D打印方法,与传统制造方法相比,3D打印义眼的生产时间缩短了 80%。更重要的是,新的3D打印和人工智能结合大大降低了眼科医师的劳动量,大约减少五倍,并且可以产生针对患者的真实且定制的质量可重复的以眼。
研究人员在对10名临床患者进行的初步试验中证明了新工艺的有效性,每位患者都接受了3D打印的眼假体。自这项试验完成以来,Moorfields 眼科医院已有200多名成年人接受了3D打印的假眼。

弗劳恩霍夫团队计划进一步完善其方法,以大幅降低生产逼真眼假体的成本要求,使更多人能够使用它们。

完整的研究题为“定制眼假体的自动数据驱动设计和3D打印”,并已发表在《自然通讯》杂志上。

研究人员的新流程利用原型Casia2光学相干断层扫描 (OCT) 扫描仪来扫描患者的眼窝。这些3D扫描结果可以产生精确的数据,为人造眼睛提供紧密且舒适的配合。据报道,每个患者的完整数据采集过程花费了不到 30分钟。

然后,患者的眼睛数据被输入到人工智能模型中,该模型生成精确的 3D 打印设计,完美贴合患者的眼窝。在研究中,团队将设计上传到 GrabCAD 软件,并使用 VeroVivid 材料在 Stratasys J750 Polyjet 多材料3D打印机上3D打印假眼。

眼睛采用全彩3D打印,准确复制了患者健康眼睛的外观、大小和结构。据报道,Stratasys 3D 打印机的运行分辨率为每立方厘米180亿个液滴,可打印出高度精确且细节逼真的眼睛植入物。

这种新方法可在短短 90 分钟内设计和 3D 打印出完整的义眼,而使用传统方法则需要 8 个小时。Reinhard 表示,同时 3D 打印 100 个义眼需要 10 个小时。

3D打印完成后,合格的眼科医生只需15至30分钟即可安装好义眼。

科学家们表示,在普遍推广这一过程之前,必须克服一些限制。例如,OCT 3D扫描设备目前无法捕获非常复杂的眼窝。此外,3D扫描过程并不适合患有某些眼部疾病(例如眼球震颤或斜视)的患者。

block 可扩展的应用

展望未来,研究人员相信他们的发现将推动数据驱动设计工具用于其他非眼睛假体的多材料 3D 打印的进一步研究和开发。这可能包括 3D 打印的牙齿修复体或面部假体。

Valley 外科手术© 3D科学谷白皮书

甚至可以将这一开发与更传统的假肢结合起来,例如生产与患者外观精确匹配的假肢套。

Valley 康复辅助器© 3D科学谷白皮书

3D打印在医疗领域发挥着越来越大的作用。在 3D 打印行业对近期 3D 打印趋势的调查中,3D打印专家强调医院越来越多地采用 3D 打印机来生产个性化医疗设备,例如眼假体。

Fraunhofer 的研究人员并不是第一个认识到 3D 打印在生产义眼方面的潜力的机构。早在 2021 年,一名伦敦男子成为世界上第一个安装 3D 打印义眼的人。此外,3D 打印不仅仅用于生产人眼假肢。2020 年,韩国忠北国立大学的研究人员开发了一种为因不治之症而失去眼睛的犬类 3D打印低成本义眼的工艺。

而根据3D科学谷的市场观察,基于AI重建人体假体,Fraunhofer目前在多个领域获得了显著进展,包括关节植入物,和眼眶植入物

例如基于 AI 重建患者特定的陶瓷指关节植入物,在合作项目“FingerKIt”中,Fraunhofer IAPT、Fraunhofer MEVIS、Fraunhofer IKTS、Fraunhofer ITEM 和 Fraunhofer IWM 开发了一个连续的自动化3D打印-增材制造工艺链,以实现手指关节的重新活动。

而另外一个项目,基于人工智能的全自动3D打印眼眶植入物,Fraunhofer IAPT 研究所与位于德国汉堡的另外两家高校合作,在 DigiMed 项目中开发了一种基于人工智能的全自动工艺,用于生产个性化眼眶植入物。通过3D打印以超薄钛板形式存在的植入物,在临床实践中用于治疗眼眶损伤。人工智能算法不仅会显着加快3D打印眼眶植入物的生产,还会显着优化成本和质量。

Fraunhofer通过训练AI算法,根据可用的模拟数据自动生成单个植入物设计。作为项目成果,创建一个基于人工智能开发个性化植入物认证合规评估中心,这在全球范围内是独一无二的。

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知之既深,行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络,3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析,请关注3D科学谷发布的白皮书系列。


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大缸径发动机、钢-钢齿轮、镍铜多材料燃烧室,多材料增材制造金属零件的应用机会 //www.ganjiayu.com/?p=32694 //www.ganjiayu.com/?p=32694#comments Mon, 14 Aug 2023 12:31:37 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=32694 根据3D科学谷,随着产品开发人员越来越意识到金属增材制造的可能性及其提供的设计自由度,激光粉末床熔融金属3D打印(L-PBF) 已在众多行业中建立了系列应用。 L-PBF的一项尚未得到充分开发的应用是生产多材料金属零件,这将为许多行业的设计人员提供巨大的新潜力。

Fraunhofer_SLM_1构建平台上的镍铜燃烧室演示部件
© Fraunhofer IGCV

根据3D科学谷, 多材料AM-增材制造为设计具有改进性能的复杂、功能性、高度个性化和高附价产品提供了多种机会,不同比例的材料集成可以定制组件的性能,包括电学、热学、机械、光学和多功能性能。

valley 多材料多材料的一般分类和性能改进

© 3D科学谷白皮书

block 工艺链挑战

仔细观察增材制造的工业应用就会发现,批量生产通常是在高科技应用中实现的。这不仅是因为在高科技领域需要最大的设计自由度以实现优化的组件性能,而且还因为在此类应用中更可能接受更高的制造成本。

根据 ISO/ASTM TR 52912的定义,多材料组件的特征是存在至少两种牢固粘合在一起的不同材料。根据3D科学谷《金属与金属 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文,Fraunhofer IGCV研究所在SLM Solutions的SLM 280 设备上3D打印的双金属热交换器,配备了Fraunhofer IGCV专有的MultiMaterial 粉末沉积解决方案。

Fraunhofer_process多材料加工的工艺链挑战

block 预处理

首先,材料分布需要由设计者定义,这可以通过应用设计师自己的专业知识或使用模拟工具来完成,一旦知道所需的材料分布,就需要为增材制造工艺生成零件的子模型,对于每个材料部分,需要一个单独的模型(子模型),以便允许用于在 L-PBF加工过程进行合适的凝固参数设置。

L-PBF-LB多材料 L-PBF-LB/M 的零件建模:每个材料部分需要自己的子模型

除了按材料生成的子模型之外,还需要第三个子模型来以几何方式描述材料之间的过渡区域。对于每个部分的模型,构建过程通常需要特定参数,以确保生产的材料具有足够的质量。这意味着,例如,为了获得高相对密度值和无裂纹材料,每个材料区域的激光功率、扫描速度和填充距离可能会有所不同。这是由于粉末特性、电导率和吸收率等方面存在不同的材料特性。

transition多材料零件的加工参数化

位于德国奥格斯堡 Fraunhofer IGCV 实验室的 SLM Solutions SLM® 280 2.0 机器的构建室内部视图,该机器能够生产多材料零件。这是Fraunhofer IGCV开发的设计原理,简而言之,双室重涂机用于在一次构建作业中提供两种粉末材料。此外,涂覆轴配备有抽吸装置,能够去除多个粉末层。

fraunhofer multimaterial

因此,多材料循环遵循以下步骤:

- 步骤1: 材料 A 应用于第 n 层并根据其 CAD 设计进行固化

- 步骤2: 未凝固的粉末材料A被抽吸装置除去

- 步骤3: 根据 CAD 设计,材料 B 被涂覆在第 n 层并固化,未固化的粉末材料 B 保留在构建室中

- 步骤4: 构建平台降低一层高度,并对第 n+1 层重复步骤 1

- 其他步骤: 遵循上述步骤中描述的原理,材料 B 保留在构建室中,而材料 A 则不断地被抽吸装置吸取。

Fraunhofer弗劳恩霍夫Fraunhofer IGCV 实验室的多材料 SLM® 280 2.0 机器内部视图

© Fraunhofer IGCV

block 后期处理

除了单一材料加工中已经熟悉的挑战(例如从零件中去除松散粉末或去除支撑结构)之外,粉末混合物的分离是多材料加工带来的关键额外挑战。在步骤 1-4 中描述的涂层过程中,两种粉末材料的混合是不可避免的。这是步骤 2(使用抽吸装置去除未固化粉末材料 A)的结果。理论上,仅去除一层粉末就足够了。这将从构建室中完全移除材料 A,仅留下材料 B。而且,只有材料A会留在抽吸装置中。然而,现有技术还不允许如此精确地去除粉末层。这意味着目前通常抽吸三层或更多层高度以避免污染。因此,将来需要对粉末混合物回收利用的原理进行更深入的研究。

process图:粉末混合物回收利用的确定原则(AM-TRL:增材制造应用的技术准备水平)

根据所使用的粉末材料的特性,各种原理是已知的。例如,如果一种粉末材料具有磁性,但第二种粉末材料不具有磁性,则可以使用磁粉分离。如果可以加工不同且无重叠粒度分布的粉末,则也可以通过筛子利用这种差异在下游进行分离。此外,还有其他物理原理,但它们目前对增材制造的适用性仍然明显低于磁分离或筛分。不过,并不总是需要以 100% 分离粉末材料为目标,以便能够再次重复使用它们。所需的纯度水平很大程度上取决于材料组合。

block 多材料零件的工业潜力和示例

MAN Energy Solutions图:与 MAN Energy Solutions SE 合作研究的多材料金属粉末床熔融(大缸径发动机喷射喷嘴)的工业用例

多材料组件可以根据组件要求充分利用特定材料的优势。例如,耐磨耐热钢可以与具有良好导热性的铜合金组合,用于大缸径发动机应用。在这方面,Fraunhofer IGCV 和 MAN联合研究了喷射喷嘴,通过多材料设计预计在高应力区域采用铜芯,从而改善喷嘴的温度控制,以提高发动机性能。

第二个例子是两种钢组成的齿轮,图片显示了由两种钢组成的齿轮的截面,由于激光的作用,碳在熔化和加热过程中的扩散导致两个区域之间的渐变过渡。所使用的工艺允许选择性地设置和调整边缘层的厚度。例如,这使得可以在齿面产生最佳的硬度分布,同时在齿根中产生针对承载能力优化的硬度分布。不需要随后的表面硬化。只需加热和淬火即可产生完整的马氏体表面层。因此,此处显示的结果具有齿轮制造的潜力。

DFG图:由两种钢组成的齿轮的工业用例,采用多材料金属粉末床熔融技术生产

另外一个例子来自航天工业,航天发动机燃烧室面临着高热负荷,但也需要尽可能轻。建造的舱室性能越高,对火箭来说就越好。所需的推进器室所需的质量越小,可以用于太空运输的有效载荷就越多。由于这些原因,航天是增材制造的核心产业之一,特别是多材料增材制造。镍基合金将用作腔室的耐热基体,并且预计铜基区域将用于增加传热。

Fraunhofer_2除粉过程中用于太空应用的镍铜燃烧室演示模型

© Fraunhofer IGCV

国内,根据2023年增材制造产业联盟发布的航天发动机关键零部件多材料一体化制造典型应用场景,中科煜宸的增材制造装备在功能梯度材料的制备上集成了多通道送粉装置,可同时支持最多六种金属粉末的输送,并开发了专用的混粉功能模块,实现多路金属粉末的原位均匀混合。针对多路送粉功能开发了送粉控制软件,研究人员可通过预先的材料成分设计,实时更改增材制造过程中材料的配比,实现均匀过渡。

总之,某些材料配对(例如铜和钢)的技术准备程度足以实现工业应用。并且已经有研究表明,在堆积过程中混合的粉末材料随后可以利用磁力分离进行分选,纯度几乎为 100%。与钢-铜材料组合相比,目前的技术水平使得很难组合在所有方面(例如密度、磁化性、晶粒尺寸分布)都非常相似的材料。在这种情况下,粉末分离很困难,因此目前多材料加工不是很经济,因为粉末的可重复使用性通常被视为经济效率的中心标准。

insight

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随SpaceX的火箭发射,Fraunhofer IPT 制造用于外层空间实验的超轻型框架 //www.ganjiayu.com/?p=30740 //www.ganjiayu.com/?p=30740#comments Tue, 21 Mar 2023 13:21:01 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=30740 SpaceX Cargo Dragon 航天飞机于 2023 年 3 月 15 日从佛罗里达州的肯尼迪航天中心出发前往国际空间站 (ISS)。除此之外,航天飞机还搭载了一个实验装置,这个实验装置得到了亚琛弗劳恩霍夫生产技术研究所 Fraunhofer IPT 团队的支持,他们为实验设计和制造了超轻且极其稳定的支撑结构。

Fraunhofer IPT_Part激光粉末床熔融(LPBF) 增材制造的复杂结构不锈钢结构部件
© 亚琛Fraunhofer IPT

block 小空间的三个实验

航天飞机搭载的实验装置将测试如何通过在零重力下使用所谓的铁磁流体来优化机械部件(铁磁流体是含有微小磁性颗粒的液体);还将研究铁磁流体如何可能延长组件的使用寿命。

在三个实验中,将测试由铁磁流体支持的位置控制系统:磁性流体由外部磁场引导,从而产生扭矩。另外两个实验涉及一个电开关和一个热开关,通过铁磁流体打开和关闭电路。

滚珠轴承、活塞或泵等机械部件的使用寿命有限:这些零件会随着时间的推移而磨损,必须更换。太空工程师面临着此类磨损部件的主要问题,因为它们不能简单地在太空中更换。

国际空间站宇航员把实验装置安装在空间站的实验柜中,并在那里放置大约四个星期。柜子里的空间非常有限:只有 10 x 10 x 20 立方厘米的空间可以容纳实验箱。实验装置安装在用螺纹杆拧入盒子底部的铝板上。为了稳定结构和保护实验,还需要特殊的支撑结构。

whitepaper_Aerospace_28航空航天增材制造应用
© 3D科学谷白皮书

block 对部件设计的严格要求

Fraunhofer IPT根据实验要求设计和制造四个结构部件,以稳定和保护实验装置。要求非常严格:结构部件必须非常稳定,以承受飞行过程中的强烈振动——尤其是在发射和重返地球大气层期间——防止它们移动。同时,该结构必须尽可能开放,让空气流通并冷却实验装置。此外,组件的总重量不得超过 400 克。

Fraunhofer IPT_Part_2© 亚琛Fraunhofer IPT

在 LPBF激光粉末床熔融3D打印过程中,粉末材料以非常薄的层均匀地涂在构建板上,并通过激光束选择性地熔化。 针对这种3D打印方式可以实现复杂形状的特点,Fraunhofer IPT 的增材制造专家 Stefan Gräfe 设计了多个版本的结构组件。使用建模软件分析了可用空间并设计了满足所有标准的组件,使用激光粉末床熔融(LPBF) 3D打印技术作为制造工艺,并使用不锈钢作为材料。

此外,研究人员追求另一个目标:尽可能减少后处理工作量,也就是尽量减少支撑结构。最终结果表明Fraunhofer团队的策略奏效了:支撑结构的总重量仅为 141 克,这些组件还通过了在科隆德国航空航天中心 (DLR) 进行的稳定性压力测试。

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九天变三天!Fraunhofer基于人工智能的全自动3D打印眼眶植入物 //www.ganjiayu.com/?p=29961 //www.ganjiayu.com/?p=29961#comments Wed, 01 Feb 2023 07:50:51 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=29961 Fraunhofer IAPT 与位于德国汉堡的另外两家高校合作,在 DigiMed 项目中开发了一种基于人工智能的全自动工艺,用于生产个性化眼眶植入物。 通过3D打印以超薄钛板形式存在的植入物,在临床实践中用于治疗眼眶损伤。 人工智能算法不仅会显着加快3D打印眼眶植入物的生产,还会显着优化成本和质量。

Fraunhofer_Eyes全自动化3D打印眼眶植入物数字价值链
© Fraunhofer IAPT

block 数字价值链

除了时间优化之外,Fraunhofer IAPT 建立了基于患者特定面部外科植入物增材制造的医疗技术数字价值链,研究结果主要证明了将完整的流程链整合到日常临床实践中的可能性。通过消除符合流程优化的手动设计,生产时间可以从九天减少到三天。

未来,Fraunhofer IAPT 开发的基于 AI 人工智能的工作流程可以治疗更多的骨损伤,该团队已经表明,该方案可以在符合 MDR 监管要求的同时整合到医院或制造企业中。

DigiMed研究项目建立了患者专用面部外科植入物增材制造医疗技术数字价值链, 该项目旨在通过个性化调整的植入物,特别是眼眶底植入物,实现患者护理的可持续改善。

Valley_Implants© 3D科学谷白皮书

在眼窝(眼眶底)骨折的情况下使用眼眶底植入物,这是最常见的面部损伤治疗之一。患者特异性植入物治疗的一个核心问题是,从诊断所必需的影像学检查到植入眼眶底植入物的手术,通常至少需要 10 天。这对患者来说是一段不愉快的等待时间,也使手术更加困难。

作为 DigiMed 项目的一部分,开发端到端的数字价值链旨在将成本和过程持续时间降低 40%,并将植入物的质量提高 30% 。

l 数字医疗价值链

Fraunhofer_Eyes_2图 :用于生产患者专用眼眶植入物的数字价值链概念
©Fraunhofer IAP

数字化、人工智能和增材制造在定制成像、设计和制造战略的开发中的无缝衔接对项目的成功起到了关键作用,这些形成了无缝的数字价值链。

通过该数字价值链,医务人员有望在计划和实施手术时大大减少工作量,并为患者提供更适合个体病例的治疗,痛苦更小,速度更快。

block 从设计到认证

3D科学谷了解到该项目的科学研究工作侧重于四个行动领域:

Fraunhofer_Eyes_3©Fraunhofer IAP

具有清晰语义的统一数据基础设施(HF 1):开发具有清晰语义的统一数据基础设施作为合并各个开发部分的接口。

基于 AI 的植入物生产 (HF 2):基于医学图像数据,进行基于 AI 的自动化重建模型创建。增材制造的最终植入物设计是在 AI 算法下生成的。

优化的个性化生产 (HF 3):针对开发的种植体设计,开发了一种适应性的、自动化的生产策略和植入物的个性化后处理。

有效的认证和质量保证策略(AF 4):正在为整个价值链开发认证概念,此外,还考虑了生产过程中的质量保证。

block 端到端的离散化制造基础设施

根据3D科学谷的市场研究,人工智能正在驱动个性化定制医疗植入物的市场发展,自动化3D打印-增材制造工艺链贯穿从扫描到建模、3D打印、后处理、认证等一系列流程。

正如3D科学谷《3D打印技术的重大进展,2022年艰难之下的增材制造行业三大上扬蓄势》一文谈到的,有了3D打印进入离散化制造所需要的端到端的解决方案的“基础设施”,有了数字孪生、过程中控制等一系列的仿真与机器学习工具,3D打印才能进入到发展的良性上升轨道,插上腾飞的翅膀。

根据3D科学谷《Fraunhofer开发自动化3D打印工艺链,基于 AI 重建患者特定的陶瓷指关节植入物》一文,Fraunhofer还开发了连续的自动化3D打印-增材制造工艺链,以实现手指关节的重新活动。根据3D科学谷的了解,手指关节的制造方面,Fraunhofer IAPT 采用的增材制造技术是基于粘结剂的3D打印制造技术。

Fraunhofer IAPT 这种训练AI算法,根据可用的模拟数据自动生成单个植入物设计。作为项目成果,创建一个基于人工智能开发个性化植入物认证合规评估中心,这在全球范围内是独一无二的。

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实现LPBF选区激光熔融工业化规模化应用,Dyndrite支持亚琛工业大学3D打印开放矢量格式 (OVF) //www.ganjiayu.com/?p=29714 //www.ganjiayu.com/?p=29714#comments Mon, 09 Jan 2023 07:46:39 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=29714 Dyndrite™ 是用于创建下一代数字制造硬件和软件的核心加速计算引擎的供应商,近日,Dyndrite宣布在 Dyndrite App Dev Kit 中支持ACAM(亚琛增材制造中心)的研究成员亚琛工业大学OVF开放矢量格式文件格式,将更高程度的3D打印工艺链自动化引入到增材制造领域。 目前,Dyndrite 用户可以直接写入包含激光路径等信息的 OVF 文件。

Dyndrite_OVFDyndrite支持OVF
© Dyndrite

block 自动化进程又进一步

根据ACAM亚琛增材制造中心,通过 OVF 链接数字和物理流程链,由于信息丰富的精简的数据格式,可实现稳健且高效的制造流程。借助这种标准化格式,可以显着减少将数据传输到工厂的手动工作,从而实现增材制造自动化。

Valley_AM© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷《推动3D打印规模化,亚琛工大通过开放虚拟化格式(OVF)为数据“瘦身”》一文,当前金属增材制造下游加工步骤尚未实现自动化,部分原因是要制造的零件的几何形状不同,对自动化带来了极大的挑战, 推动3D打印规模化,亚琛工业大学DAP数字增材制造学院最新的研究结果之一是通过开放虚拟化格式(OVF)解决增材制造过程数据过大的痛点。

为了解决增材制造自动化的挑战,还需要高度尊重增材制造的天然基因:数字化特征,根据3D科学谷的了解,没有数字制造数据,就没有增材制造 (AM) – 因此,高效可靠的数据生成和处理是3D打印生产制造过程的基本先决条件。在激光粉末床熔化 (LPBF) 方面,3D打印制造的零件通过计算机辅助设计 (CAD) 软件设计为 3D 模型,接下来,该模型被转换为组件的二维层数据集合——所谓的切片——作为工厂侧的输入,用于在粉末床中一层一层熔化的层。当前很多企业受到庞大的数据量的挑战。这就是亚琛工业大学DAP数字化增材制造学院开放矢量格式 (OVF) 发挥作用的地方。

根据RWTH Aachen 亚琛工业大学数字增材生产学院数字生产组负责人Moritz Kolter,亚琛工业大学之所以开发 OVF,是因为没有令人满意的 2.5 维数据格式,OVF这种格式既可开放读取,又包含除实际加工路径之外的其他信息。OVF 能够以高性能、可读的方式在切片后处理数据,并且还能够链接其他信息,例如 3D 零件数据。这对于拥有将推动 AM-增采摘奥产业化的完全链接的端到端数据链尤为重要。

通常来说,3D打印过程首先将给定的CAD模型转换为立体光刻(STL)格式的网格表示,然后将网格切成一系列平面轮廓,最后生成激光路径以填充这些轮廓。但是,当切片的三角形数量过多时,三角形的数量会变得非常庞大,处理如此大量的三角形将占用过多的计算机内存和时间,导致无法在计算机上正常运行。当要打印的零件具有高度复杂的内部结构(例如,三重周期性最小表面(TPMS))时,情况就更糟了。由于这些原因,需要一种新的计算流水线来解决因处理PBF 3D打印技术在处理高度复杂的结构而引起的效率挑战。

OVF 在数字和物理过程之间提供了一个简化但信息丰富的数据链接,实现了强大而高效的制造过程,并提供了许多优于现有格式(如 CLI 和 3MF)的优势。

简化数据量,同时增加激光粉末床熔化 (LPBF) 3D打印工艺的制造数据的数据大小:这是亚琛工业大学激光技术和数字增材生产 DAP 学院的科学家们与弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT共同努力的结果。OVF被称为开放矢量格式,除了显着减少数据量外,还实现了零件设计的数据到生产工厂的高效传输。

block 什么是开放矢量格式 (OVF)?

OVF 的技术基础是广泛使用的序列化技术 Protocol Buffers(“Protobuf”),处理从复杂结构化数据对象到字节流的信息传输。例如,将信息存储在文件中或通过网络发送数据。使用 Protobuf 代码生成器基础架构可以为数十种编程语言和平台提供广泛的兼容性和支持。

同时,Protobuf 的高性能、所有数据的紧凑二进制存储以及灵活的前向和后向兼容性等优势都得到了充分发挥。此外,可以沿工艺链高效地传输与激光粉末床熔化 LPBF 3D打印工艺相关的元数据,例如制造参数、激光功率和扫描速度。

技术特定数据结构的定义是通过 OVF Github 存储库的开源发布以低门槛的方式完成的。Github 可以极大地促进了工业和研究的访问。Github 存储库针对广泛的兼容性进行了优化,同时可灵活扩展,以便能够映射增材制造的最新数字化发展。广泛的工具组合,例如用于传统格式的转换器,例如将 CLI 转换为 OVF 文件;或完整性检查例程,例如检查轮廓是否闭合;参数是否分配以及图层是否没有间隙,也可以在 Github 上找到。

根据亚琛工业大学,OVF 可用于满足在激光粉末床熔融(LPBF) 3D打印工艺过程中处理 2D 层输出数据的理想格式的多功能要求。此外,该格式还可用于其他基于扫描仪的激光加工应用,例如激光微结构化和抛光应用。

OVF 提供所有数据的紧凑二进制存储,以及灵活的向前和向后兼容性,沿着工艺链有效地传输 LPBF 选区激光熔融3D打印工艺相关的元数据,例如制造参数、激光功率和扫描速度。

OVF 结构非常灵活,可以扩展以支持最新的数字开发,支持 广泛的工具组合,例如将 CLI 转换为 OVF 文件,或完整性检查例程,例如 OVF Github 上提供了检查轮廓是否闭合、参数分配以及图层是否无间隙的检查。

block 宝马全自动生产线中的OVF

OVF已经在现实中的3D打印制造环境中获得了应用,譬如世界范围内宝马首次将金属3D打印集成到汽车自动化制造工艺中的IDAM项目。这其中,Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所,亚琛工业大学RWTH DAP数字增材制造学院承担了过程控制、数字孪生和提高质量等任务,还制定行业标准并详细阐述与行业相关的质量特征。

在短短三年内,宝马IDAM项目合作伙伴共同开发了一条能够在计算机控制下自行执行所有工作步骤的生产线。通过这种方式,组件可以自主设计、生产和返工。甚至使用的金属粉末也会自动回收。无人驾驶运输系统在生产线的各个模块之间移动原材料和最终产品,这些机器由一个中央控制单元协调,来自各个生产线模块的所有生产数据都在其中汇集。

OVF开放矢量格式为这一成功的数字化做出了重要贡献,这种新的数据格式用于可靠地生成和处理 LPBF 工艺的生产数据。在 IDAM 中用于组合来自不同制造商的流程链中不同程序或自动化子步骤的输出,并合并相应的数据。这为项目中开发的可扩展、模块化和自动链接的LPBF工艺链奠定了基础。

为了能够以最佳方式使用全自动生产线,RWTH亚琛工业大学数字化生产制造学院DAP开发了用于自动优化组件方向的软件模块。对要打印的组件的制造效率、持续时间和质量控制起着重要作用。此外,通过开发基于人工智能的算法,现场过程监控和数据评估得到了改进。在这里,OVF 也能够通过集成元数据来提供支持。

block 开启3D打印工艺链的蓬勃发展

根据Dyndrite 首席执行官 Harshil Goel,Dyndrite 的核心愿景是改变几何图形在计算机上的创建、转换和传输方式。OVF 格式是改进复杂结构化加工路径数据以高性能和紧凑方式传输的非常合乎逻辑的一步,只有通过像 OVF 这样的开源进步格式,增材制造才能提高其采用,实现工业化规模化应用。

根据3D科学谷的市场判断,GPU与CPT的应用结合将渗透到从建模仿真到数字孪生体技术,工艺开发,再到过程控制等3D打印工艺链的方方面面,而由GPU这种算力所支撑的人工智能算法将统治3D打印的方方面面。

如果将GPU这种算力比喻成强健的动力配置,那么OVF开放矢量格式在这种强健基础上打造了流畅的交互传输能力,在3D科学谷看来,强健的“体力”与“脑力”搭载上流畅的“内循环”,正是3D打印工艺链开启蓬勃发展的基础。

l 关于亚琛工业大学增材制造数字学院

RWTH DAP (The Chair Digital Additive Production)于 2016 年 8 月在亚琛工业大学成立,由Johannes Henrich Schleifenbaum 教授领导。

约 120 名积极进取且才华横溢的科学家们在增材制造技术、增材思维为导向的产品开发以及增材制造生产数字化领域开发技术卓越的解决方案。在其基础应用研究中,RWTH DAP特别关注其研究工作对经济可持续性和生态影响及其合作伙伴的潜在利益。可持续地加强和推进开发增材制造在生产中的应用。从生产数字化、网络化到材料开发、增材制造过程,再到后处理和质量保证,RWTH DAP的研究活动旨在保护价值创造和工业生产作为人类繁荣的重要组成部分,将其置于 AM-增材制造发展的轨道上,从而促进更好的人类未来。

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通过超声波对晶粒结构进行分级,Fraunhofer 3D打印更坚固的零件,推动下一代航空航天技术发展 //www.ganjiayu.com/?p=29282 //www.ganjiayu.com/?p=29282#comments Tue, 22 Nov 2022 07:29:23 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=29282 根据3D科学谷,Fraunhofer IWS,Fraunhofer IAPT以及澳大利亚墨尔本的RMIT增材制造中心已经开始了一项耗资 400 万欧元的 UltraGrain 项目,目的是通过超声辅助增材制造按需对晶粒结构进行分级,希望在项目结束后获得将这一研究成果从示范项目达到产业化推广的商业价值,将联合研究成果转化为工业实践。

考虑到深化合作,Fraunhofer将从其国际合作和网络 ICON 计划中为该项目提供 150 万欧元的资金。澳大利亚合作伙伴将进一步捐款 250 万欧元。

ICAF航空疲劳与结构完整性国际委员会
© ICAF

block 更细更可控的结构

RMIT 增材制造中心项目合作者对超声在微结构控制中的应用持乐观态度。据报道,他们相信下一代航空航天以及太空部件增材制造将大大受益于与弗劳恩霍夫合作伙伴共同开发的超声技术的采用。

在此过程中,研究人员正在进入新的技术领域,为了具体影响 AM-增材制造组件的内部晶粒结构,从而影响它们的机械性能,研究人员正在将已建立的基于线材和粉末的定向能量沉积 (DED) 工艺与超声波相结合。

超声波的振动超出了人类可听到的音调,例如,在沉积过程中,超声波以精确定义的频率在全局范围内或局部跟随激光并直接向熔池发送精细振动影响组件的晶粒结构。超声波可防止在其中形成不希望的柱状结构,通常这些微小的柱状结构会导致较差的机械性能。在超声波作用下,会形成更细的圆形微颗粒,均匀分布或分级分布。

这种等轴对齐增加了增材制造零件的机械和化学承载能力。由于可以有针对性地控制超声波,因此组件设计人员能够准确地设计材料,根据零件需要在何处承受巨大应力的要求来制定超声波加工策略。

开发人员可以规划超声波控制的晶粒结构,但也可以决定在哪些方面可以不使用超声波,以加快生产速度。例如,如果空间探测器的储气罐必须在未来几年内经受外太空的特殊挑战,或者如果汽车工厂的工具必须承受大规模生产中的高点负载,这种使用超声波的增材制造加工是必不可少的。

Fraunhofer IWS正在将其在激光熔覆方面的经验贡献给研究联盟。特别是,将重点放在通过DED激光沉积钛金属丝和钢丝的加工过程,下一步计划对送粉的DED激光沉积工艺进行超声波加工研究。

Fraunhofer IAPT处理具有不同晶粒结构的组件优化设计。在多材料设计的方面,科学家们打算开发系统化的一种方法来优化受超声波影响的材料区域。此外,Fraunhofer IAPT还专注于新工艺技术的最佳路径规划。

通过UltraGrain项目,可以显着提高零件的抗疲劳性、强度、韧性和延展性等性能,或降低增材制造部件的开裂敏感性,此外,该项目为Fraunhofer在澳大利亚工业界建立新联系并增加Fraunhofer研究所的国际收入提供了机会。

作为UltraGrain的国际大学合作伙伴,RMIT增材制造中心将使用先进的同步加速器测量在新工艺方法中探索超声波在材料中触发的物理过程。

block 科技让生活更美好

根据3D科学谷的市场观察,Fraunhofer在增材制造领域发挥着强大的作用。Fraunhofer IWS工程师基于对材料技术以及激光加工的强大理解,建立了增材制造领域加工技术与材料的相关性。此前,在Fraunhofer灯塔项目“ futureAM-下一代增材制造”的框架内,Fraunhofer IWS的科学家们以很高的采样率记录大量传感器数据以提升对加工过程的理解,创造更多更神奇的材料。

Valley_FutureAM下一代增材制造技术
© 3D科学谷白皮书

Fraunhofer IWS的材料和光束技术正在为增材制造产业贡献积极的中坚力量,除了其在激光熔覆方面的经验,此前Fraunhofer IWS通过短波绿色激光对金属进行几乎无缺陷的处理,实现了以前纯铜无法实现的新生产方法。可以用于制造航空航天和汽车工业的由纯铜和铜合金制成的复杂部件,并且可以提高铜金属零件的制造效率。

通过科技推动人类走向美好生活,Fraunhofer另外一家研究所,Fraunhofer IAPT最近还创建了人体指关节植入物的初始设计,然后训练AI算法,目的是根据可用的模拟数据自动生成单个植入物设计。

更多关于Fraunhofer通过科技推动人类走向美好生活的相关信息,3D科学谷将保持持续关注。

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推动实现碳中和,为3D打印创建全面的生命周期评估 (LCA),Fraunhofer ILT和 6K Additive 建立合作 //www.ganjiayu.com/?p=29243 //www.ganjiayu.com/?p=29243#comments Sun, 20 Nov 2022 04:22:13 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=29243 根据ACAM亚琛增材制造中心,3D打印促进循环经济体现在几个方面:材料的可重复利用,材料健康,可再生能源及碳排放管理,水资源管理,社会公平。下一步,业界思考的是如何量化3D打印为循环经济带来的积极影响,这其中,专注于解决生产和使用周期中的材料使用问题是其中一个研究方向。近日,6K Additive宣布和Fraunhofer ILT建立合作,为3D打印创建全面的生命周期评估 (LCA)。

6K_ICAF航空疲劳与结构完整性国际委员会
© ICAF

block 量化对实现碳中和的积极影响

6K Additive专注于可持续生产的工程材料,而弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT 是世界领先的激光技术开发和应用的领导者,合作双方将使用由 6K Additive 生产的可持续制造的 Ni718 粉末,用于在激光粉末床熔融3D打印设备上制造工业部件,以更好地了解材料通过增材制造工艺和后处理产生的碳足迹。

6K——Ni7186K Additive 专有的微波等离子制粉系统
© 6K Additive

与传统制造相比,增材制造对环境的影响存在一些相互矛盾的观点,譬如有的观点认为虽然增材制造过程相比来说具有积极的减少碳排放的意义,然而在制造增材制造所需要的粉末过程中,则是一个高耗能、高排放的过程。那么事实一定如此吗?

Fraunhofer ILT和 6K Additive 建立的这项研究的目标是分析事实数据,以帮助业界了解使用 LPBF 打印金属零件的实际环境影响。根据Fraunhofer ILT 增材制造部门负责人 Jasmin Saewe 博士,评估包括粉末制造在内的整个过程非常重要,这就是Fraunhofer ILT与 6K Additive 合作的原因,6K Additive 拥有经过验证的可持续粉末制造方法。

3D科学谷了解到6K 的 UniMelt 平台提供了多方面的可持续性发展优势,这是目前世界上其他材料生产平台所无法比拟的。6K Additive之前发布了钛粉和镍粉的生命周期评估项目。这项研究由第三方公司Foresight Management 进行评估的,该公司量化了与可3D打印金属粉末生产相关的环境影响,并专门将雾化技术方法与 6K Additive 进行了比较。研究发现,对于 Ni718 粉末,6K Additive的UniMelt工艺至少比传统工艺减少了 91% 的能源和 92% 的碳排放。

根据6K Additive总裁Frank Roberts ,6K Additive之前的研究清楚地强调了 UniMelt® 技术相对于雾化技术的环境优势,与Fraunhofer ILT的这次合作将其带到了下一步,这项研究的结果将提供工具,让客户能够确定真正的解决方案并帮助组织推动实现碳中和。

6K Additive 是世界上第一家由可持续来源制成的增材制造粉末生产商,提供全套优质粉末,包括镍、钛、铜和难熔金属,如钨和铼。以可持续性为核心,6K Additive开发了 UniMelt®,是一种专有的微波等离子制粉系统,具有零污染和高产量的生产能力。使用微波能够非常精确地控制金属熔化成液滴的环境条件。通过调整时间,温度和流量大小, 可以利用金属的自然表面张力来产生大量近乎完美的球形金属颗粒。

此外,6K Additive使用可回收资源作为增材制造原料。可以使用的原材料包括经过CNC铣削的断屑,经过磨削的废粉,以及3D打印中被处理掉的支撑材料,都可以被充分利用。

block 3D打印对碳中和的积极影响

根据国际市场研究咨询公司AMPower,3D打印在整个产品的制造与使用生命周期内发挥着积极的可持续发展影响。这其中包括:

对材料的需求:增材制造技术的近净成形特点使得对原材料需求减少,考虑到例如铣削等传统加工过程中,对大量的冷却液这些石化资源的消耗以及产生的大量的金属碎片,增材制造的可持续特征十分明显。

valley_Case_156© 3D科学谷白皮书

本地化制造的碳足迹影响:考虑到物流是二氧化碳排放的另一个主要驱动因素,3D打印带来的离散化本地化制造特征极大的减少了对仓储和物流的需求,从而有助于实现更可持续的发展。

对零件制造路线的影响:就产品的制造本身来说,3D打印可以实现更高的设计自由度,例如将原来需要几十个零件组装在一起的零件通过一体化的方式一次性制造出来,这大量压缩了制造环节,减少了运输、检测、组装工作,通常除了减轻重量外,还可以减少更广义范围内的二氧化碳排放量。

按需制造:目前在全球范围内出现了诸多个按需制造平台,人类交易的产品不是以实物为直接的交易对象,而是以三维设计图为基础的按需制造方式。这减少了制造过多的带来浪费的产品,使得制造的数量与需求之间获得更匹配的平衡,减少浪费是3D打印对减少碳排放带来的一个额外的贡献。

提高产品效率:3D打印-增材制造独有的重量和性能优化设计可以提高当前涡轮机、液压系统、热交换器等系统的运行效率,从而在产品的整个使用生命周期内显著节约能源,减少二氧化碳排放。

这些节约效果可能比实际生产排放量大很多倍,这是3D打印改变世界的“四两拨千金”的妙处所在。

材料回收:当前的增材制造环节中,材料的可回收是另外一个典型特点。而6K Additive正是在材料回收方面打开了新的可能性。

可以预见的不久的将来,碳排放将被量化,为后代留存足够的可持续发展资源,为后代保留蓝天白云与绿水青山,碳税也将作为人类为后代子孙的可持续发展所要贡献的税费被量化计入到企业的营运成本,而3D打印在助力实现碳中和的道路上将发挥越来越重要的作用。

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Fraunhofer开发自动化3D打印工艺链,基于 AI 重建患者特定的陶瓷指关节植入物 //www.ganjiayu.com/?p=29159 //www.ganjiayu.com/?p=29159#comments Mon, 14 Nov 2022 07:43:28 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=29159 根据3D科学谷的市场了解,类似于指关节这样的相对较小的植入物在个体配合和生物力学负载方面有很高的要求。无论是类风湿性关节炎还是外伤,以前的治疗形式都经常导致关节僵硬。为指关节提供一种新的治疗形式并通过个性化的关节植入物实现手指关节的再活动是医疗界持续探索的方向。在合作项目“FingerKIt”中,Fraunhofer IAPT、Fraunhofer MEVIS、Fraunhofer IKTS、Fraunhofer ITEM 和 Fraunhofer IWM 正在开发一个连续的自动化3D打印-增材制造工艺链,以实现手指关节的重新活动。

Fraunhofer_finger3D打印指关节
© Fraunhofer IAPT

block 满足高要求的个体配合

根据国知局,天然关节因表面磨损或受伤或损毁而造成功能的全部丧失或部分丧失,则须用人工关节置入来代替该关节的功能缺损,现在人工关节置换术已有较普遍的应用,给关节疾病的患者带来了希望,现在人工关节植入中,一般采用将连接关节头部或窝部的假体直接插入骨髓腔中并通过螺钉或螺母加以固定,以承载相应的关节头部或关节窝部,由于关节在移位/扭转过程中需承担较大的转矩和质量,对其假体安装的牢固性和可靠性就提出较高的要求,因此,采用普通螺纹进行紧固,在长期使用过程中就有可能会产生松脱或过伸或过屈等现象,严重影响人工关节的正常使用,甚至会造成人工关节的功能丧失,既给患者带来痛苦,也增加了患者的治疗费用。

目前治疗手指关节疾病的形式,无论是类风湿性关节炎还是外伤,通常都会导致关节僵硬。通过弗劳恩霍夫的方法,可以生产在生物力学负载方面高要求的小型且精细的个性化植入物。根据3D科学谷的了解,Fraunhofer IAPT 采用的增材制造技术是基于粘结剂的3D打印制造技术。

Finger_Fraunhofer_2指关节二维扫描
© Fraunhofer IAPT

在 FingerKIt 项目中,Fraunhofer旗下五家研究所:Fraunhofer IAPT、Fraunhofer IKTS、Fraunhofer ITEM、Fraunhofer IWM 和 Fraunhofer MEVIS 通过合作实现患者特定植入物的制造。科学家们实现了从设计到生产再到认证合规测试的连续自动化流程链。

设计方面,Fraunhofer MEVIS 和Fraunhofer IWM 开发了一个模型,在此基础上可以从二维的X射线数据创建受损关节的三维立体模型。这将消除成本密集和压力大的CT扫描诊断程序。

开发的三维模型还通过了仿真的进一步验证,以模拟单独调整的植入物的生物力学性能。在这项工作的基础上,Fraunhofer IAPT 首先创建指关节植入物的初始设计,然后训练AI算法,目的是根据可用的模拟数据自动生成单个植入物设计。

Finger_Fraunhofer_1指关节3D打印工艺链开发流程
© Fraunhofer IAPT

Fraunhofer IAPT 专注于钛模型材料的基于粘结剂的3D打印制造技术的工艺开发,Fraunhofer IKTS 开发了陶瓷材料,旨在提高生物相容性和骨整合性,从而提高植入物对原始关节的适应性特性。

根据3D科学谷,各种类型的医疗植入物正在帮助世界各地的许多人改善生活质量,虽然植入物所使用的材料会根据患者的年龄、活动水平以及外科医生进行手术的偏好等因素而有所不同,但陶瓷材料已经被证明最强、最耐磨、多功能的解决方案。

Fraunhofer ITEM 与Fraunhofer IWM 和Fraunhofer IKTS 一起负责对植入物特性进行持续验证,并正在针对这些材料和要求开发新的体内模型。为了确保从一开始就可快速转移到临床和工业应用中,Fraunhofer旗下的这几家研究所共同努力,为其流程编制跨机构、符合标准的数字文档。

Finger_Fraunhofer_3

作为项目成果,将创建一个基于人工智能开发个性化植入物认证合规评估中心,这在全球范围内是独一无二的。

block 3D打印陶瓷植入物

3D科学谷在《聚焦BJ粘结剂喷射技术、材料喷射技术-增材制造陶瓷的历史、发展、未来》一文中分享过陶瓷增材制造的工业应用比金属和塑料材料大概晚十多年,这其中陶瓷增材制造的许多挑战可以追溯到加工结构陶瓷材料的内在困难,包括加工温度高、对缺陷敏感的机械性能和加工特性差。

全球多家研究院所及骨科医疗器械制造企业都有通过3D打印支架进行骨再生的研究成果,其中起到关键作用的是生物相容性材料以及3D打印支架的设计方式。

值得关注的是骨组织支架结构设计中的晶格,其规则的孔洞能够在促进组织生长的同时提供结构性支撑,其晶格成型难的问题可以采用3D打印技术得到解决,在这方面,国内升华三维生物还开发了陶瓷3D打印晶格结构解决方案。

根据3D科学谷,并不是所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物的应用点并不局限在耐磨和耐化学方面,陶瓷植入物包括氮化硅、氧化铝、羟基磷灰石等种类,其中羟基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性,在植入到体内之后将逐渐被人体降解吸收,生物工程和再生医学领域的科学家们利用此类陶瓷材料的特点研发出用于修复骨骼缺损的陶瓷生物支架。

总体来说,无论是不降解的陶瓷材料还是可降解的陶瓷材料,它们都以各自的优势在植入物领域发挥越来越积极的作用。而无疑医疗植入物的市场需求将进一步推动陶瓷3D打印市场增长,在3D科学谷看来随着陶瓷3D打印技术的提升,这一应用或在植入物领域颇具颠覆潜力。

关于陶瓷3D打印的深度洞察,请参考3D科学谷发布的《3D打印与陶瓷白皮书》。

关于陶瓷3D打印的近距离接触,欢迎参加12月20-22日深圳国际增材制造、粉末冶金与先进陶瓷展览会(Formnext + PM South China)。

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亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”在科隆与福特合作开设电动机研究基地 //www.ganjiayu.com/?p=28929 //www.ganjiayu.com/?p=28929#comments Tue, 25 Oct 2022 08:26:36 +0000 //www.ganjiayu.com/?p=28929 根据3D科学谷《福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件》一文,福特与蒂森克虏伯系统工程,亚琛工业大学DAP学院一起,在一条生产线上开发灵活而可持续的电动机零部件生产。该项目的名称是HaPiPro2,指的是发夹技术。发夹绕组是电动机领域中的一项新技术,矩形铜棒代替了缠绕的铜线。该过程比传统的绕线电机更易于自动化,并且在汽车领域特别受欢迎,因为它可以大大缩短制造时间。

该项目的最新进展是亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”(PEM)组织与福特在科隆的福特工厂合作了一个新的 1,000 平方米的电动机研究场地。

ford电动机研究
© 福特

block 3D打印为电机开发注入新活力

根据3D科学谷,在电机中,导电材料用于以最小的焦耳热维持电机内的电流。这些损耗主要发生在电机电磁铁循环通电的定子绕组内。与焦耳损耗相关的主要本征材料特性是电导率或其倒数 – 材料电阻率。对用于电机导体制造的 AM 增材制造方法的兴趣是双重的:首先,AM增材制造有助于以具有成本效益的方式制造新型高性能绕组轮廓,其次,它能够将机电组件集成到多材料组件中。

在关于电动汽车的公开讨论中,很多焦点都集中在电池上——然而与电池一样重要的电动机几乎被遗忘了。电动机是电动汽车的核心重要部件,从发夹式绕组生产到组装过程,再到激光焊接以及浸渍和绝缘的所有工艺步骤,HaPiPro2项目项目的目的是使以前复杂的电动机生产在未来显着降低成本,从而缩短其上市时间。

Whitepaper_Copper_10© 3D科学谷白皮书

作为由北莱茵-威斯特法伦州经济事务和气候保护部资助的总金额为 530 万欧元的“HaPiPro2”项目的一部分,HaPiPro2项目正在研究如何进一步开发该方法,以便在单个生产线上高效生产不同型号的电动机。3D打印适用于快速的原型制造,能够将测量结果实时反馈到仿真中,从而确保了所需的操作性能并提高了质量保证。

Valley_Motor Market© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷,目前主要有四种途径加工铜金属,一种是PBF金属3D打印技术类别中的EBM电子束熔化金属3D打印技术;一种是PBF金属3D打印技术类别中的L-PBF激光选区熔化金属3D打印;一种是BJ粘结剂喷射金属3D打印;第四种是FDM挤出式3D打印,不过根据3D科学谷的市场研究,当前FDM挤出式3D打印铜合金的电导率还不足以满足电机的应用。而HaPiPro2目前采用的技术是L-PBF激光选区熔化金属3D打印。

block 3D打印为电机开

福特的任务将是在发夹技术领域开发基于激光的应用程序,并研究用于过程控制的人工智能。亚琛工业大学数字增材生产DAP学院为该项目增加了3D打印领域的专业知识。

根据3D科学谷,电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈,3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程,3D打印带来的时间节省尤其是在所谓的发夹式绕组上得到了回报。

Valley_Motor_Copper© 3D科学谷白皮书

电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制,例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆:首先,以相同的功率减少损耗,其次,改善散热。绕组的设计在这里起主要作用,因为它是主要的热源。

经典的圆线绕组有许多限制:铜导体,绕组工艺和槽口几何形状必须匹配。彼此缠绕的导体形成牢固的图案。此外,圆形导线(经典的导体形状)在几何形状上与梯形凹槽的配合不佳。结果是,每个凹槽都被铜填充了一半,从而形成了空隙。相对较小的导体横截面可确保较大的电热损耗。

让铜的填充率更高,3D打印在这方面具备独特的优势。在这方面,市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术。

科隆的电机研究中心共雇佣了 76 名研究人员、33 名非科学员工和 130 多名学生助理。福特的科隆新工厂在研究和工业之间的跨学科合作方面设立了新标准,以加快电动机部件的生产速度:在一条生产线上生产不同电动机型号,这将在未来为节约原材料和能源以及减少浪费做出重大贡献。

新能源汽车的电机定子绕组将在新的研究设施中制造,旨在帮助电动机的整个生产过程更加灵活、高效和可持续。除了亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”(PEM)组织和福特,该研发项目还包括蒂森克虏伯、Berg Spanntechnik、AMS Anlagenbau 和总部位于亚琛的 ENGIRO 公司以及 RWTH DAP亚琛工业大学数字增材制造学院。

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