Wie das Druckgießen von Aluminiumlegierungen die Haltbarkeit und Leistung von Produkten verbessert

Einführung

In der zunehmend wettbewerbsintensiven Fertigungsindustrie von heute stellen Unternehmen beispiellose Anforderungen an Produktqualität, Leistung und Haltbarkeit. Insbesondere in High-Tech-Branchen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt, Elektronik und medizinischer Ausrüstung müssen Produkte nicht nur eine hervorragende Funktionsleistung aufweisen, sondern auch in verschiedenen rauen Umgebungen langfristig stabile Betriebsfähigkeiten aufrechterhalten. Angetrieben von diesem Trend, Druckguss aus Aluminiumlegierung Aufgrund seiner einzigartigen Materialeigenschaften und seines effizienten Herstellungsprozesses wird es für viele Unternehmen zur bevorzugten Metallumformtechnologie.

Was ist Druckguss?

Druckguss ist ein Metallumformungsprozess, bei dem geschmolzenes Metall hauptsächlich unter hohem Druck in eine vorgefertigte Stahlform (d. h. einen Formhohlraum) eingespritzt wird und nach dem Abkühlen und Erstarren die erforderlichen Teile geformt werden. Im Vergleich zum herkömmlichen Sandguss oder Schmieden können beim Druckguss eine höhere Maßgenauigkeit, komplexere geometrische Formen und eine glattere Oberflächenqualität erreicht werden, wodurch die nachfolgenden Verarbeitungsschritte erheblich reduziert werden.

Die Druckgusstechnologie wird häufig in Massenfertigungsszenarien eingesetzt, insbesondere in den Bereichen Automobilteile, Gehäuse für elektronische Produkte, Kühler und Strukturteile für die Luftfahrt. Diese Technologie zeichnet sich durch hohe Effizienz, hohe Konsistenz und hohe Präzision aus und ist eines der wichtigen Mittel zur Erzielung einer Massenproduktion und Kostenkontrolle.

Warum eine Aluminiumlegierung als Druckgussmaterial wählen?

Unter den verschiedenen Metallen, die für den Druckguss verwendet werden können, ist Aluminiumlegierung aufgrund ihrer hervorragenden Leistung zu einem der beliebtesten Materialien geworden. Aluminium selbst ist ein Leichtmetall mit einer Dichte von nur einem Drittel der Dichte von Stahl, seine mechanischen Eigenschaften können jedoch nach dem Legieren deutlich verbessert werden. Gängige Aluminiumlegierungen wie A380, ADC12, A360 usw. weisen nicht nur eine gute Gussleistung auf, sondern weisen auch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Strukturfestigkeit auf.

Zu den Vorteilen der Aluminiumlegierung beim Druckguss gehören:

Leichtgewicht: Leichtgewicht, das dazu beiträgt, das Gesamtgewicht des Produkts zu reduzieren, besonders geeignet für Energieeinsparung und Emissionsreduzierung im Automobil- und Luftfahrtbereich.

Hohe Festigkeit: Mit guter Streckgrenze und Duktilität eignet es sich für Strukturteile.

Gute Wärmeleitfähigkeit: Sehr gut geeignet für die Herstellung von Wärmeableitungskomponenten wie LED-Lampen, Netzteilgehäusen usw.

Starke Korrosionsbeständigkeit: Der natürlich gebildete Oxidfilm kann Oxidation, feuchte Umgebung und chemische Korrosion wirksam widerstehen.

Einfache Verarbeitung und Oberflächenbehandlung: Praktisch für die anschließende Oberflächenbehandlung wie Eloxieren, Galvanisieren, Sprühen usw.

Aufgrund der oben genannten Vorteile können Druckgussteile aus Aluminiumlegierungen nicht nur die Festigkeits- und Funktionsanforderungen erfüllen, sondern auch die beiden Ziele einer leichten Struktur und eines schönen Aussehens erreichen, wodurch sie in der industriellen Fertigung eine immer wichtigere Rolle spielen.

Warum sind „Produktleistung und Haltbarkeit“ in der modernen Fertigung so wichtig?

Mit der Verbesserung globaler Fertigungsstandards und der Steigerung der Benutzererwartungen müssen Produkte nicht nur im ersten Betrieb eine gute Leistung erbringen, sondern auch im Langzeiteinsatz ihre Funktionalität, Sicherheit und Zuverlässigkeit beibehalten. Insbesondere in folgenden Branchen:

Automobilindustrie: Um die Fahrsicherheit zu gewährleisten, müssen Teile hohen Temperaturen, Stößen und Ermüdung standhalten.

Luft- und Raumfahrt: Materialien müssen ein sehr hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis aufweisen und in extremen Umgebungen stabil bleiben.

Unterhaltungselektronik: Produkte werden schnell aktualisiert, aber Benutzer erwarten von ihnen eine hervorragende Haltbarkeit und Textur im Langzeitgebrauch.

Industriemaschinen: Die Stabilität wichtiger Komponenten wirkt sich direkt auf die Betriebseffizienz und den Lebenszyklus der gesamten Ausrüstung aus.

Für produzierende Unternehmen ist es zu einem dringenden Problem geworden, die Leistung und Lebensdauer von Produkten zu verbessern, ohne die Kosten zu erhöhen. Der Druckguss von Aluminiumlegierungen ist eine der idealen Prozesslösungen, um dieses Ziel zu erreichen.

Was ist Druckguss aus Aluminiumlegierung?

Grundverfahren des Druckgussverfahrens

Der gesamte Prozess des Druckgusses umfasst normalerweise die folgenden Hauptschritte:

Formendesign und -herstellung: Entwerfen Sie eine spezielle Druckgussform entsprechend der Produktstruktur. Die Form besteht normalerweise aus hochfestem legiertem Stahl und hält hohen Temperaturen und hohem Druck stand.

Schmelzen einer Aluminiumlegierung: Erhitzen Sie das Aluminiumlegierungsmaterial über seinen Schmelzpunkt, um eine flüssige Aluminiumlegierung zu bilden. Die allgemeine Schmelztemperatur liegt über 660℃, was je nach Legierungsbestandteil leicht schwankt.

Einspritzen von geschmolzenem Metall: Die geschmolzene Aluminiumlegierung wird mit hoher Geschwindigkeit (normalerweise mehrere Meter pro Sekunde) durch die Druckgussmaschine in den Formhohlraum eingespritzt. Dieser Schritt muss in sehr kurzer Zeit abgeschlossen werden, normalerweise nur wenige Millisekunden bis einige Sekunden.

Abkühlung und Erstarrung: Die Aluminiumflüssigkeit wird im Formhohlraum schnell abgekühlt und erstarrt, um die gewünschte Gussform zu bilden. Eine schnelle Abkühlgeschwindigkeit trägt zur Verbesserung der Dichte und Festigkeit der Metallstruktur bei.

Öffnen der Form und Entnehmen des Teils: Nach dem Öffnen der Form wird der Druckguss durch den Auswerfermechanismus ausgeworfen, gefolgt von Nachbearbeitungsvorgängen wie dem Entfernen von Graten und Graten.

Nachfolgende Bearbeitung und Prüfung: Einige Druckgussteile erfordern eine sekundäre Bearbeitung wie Bohren, Gewindeschneiden, Polieren, Galvanisieren usw. Außerdem sind Größen- und Aussehensprüfungen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Qualität den Standards entspricht.

Druckgussverfahren können in zwei Arten unterteilt werden: Kaltkammer-Druckguss und Warmkammer-Druckguss. Unter diesen wird beim Druckguss von Aluminiumlegierungen meist der Kaltkammer-Druckguss verwendet, da Aluminium einen hohen Schmelzpunkt hat und das Material der Druckkammer leicht korrodiert, was für Heißkammerverfahren nicht geeignet ist.

Gängige Arten von Aluminiumlegierungen

Es gibt viele Arten von Aluminiumlegierungen für den Druckguss, und verschiedene Qualitäten weisen unterschiedliche mechanische Eigenschaften, Verarbeitungseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit auf. Im Folgenden sind die in verschiedenen Branchen am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungssorten aufgeführt:

A380 (oder ADC10)

Eigenschaften: Es handelt sich um eine der am häufigsten verwendeten Aluminium-Druckgusslegierungen mit guter Fließfähigkeit, Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie hoher Festigkeit und Steifigkeit.

Anwendung: Weit verbreitet in Automobilteilen, Elektrogehäusen, elektronischen Produkten, Lampen, mechanischen Teilen usw.

A360

Merkmale: Es verfügt über eine bessere Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung sowie eine bessere Fließfähigkeit, aber die Verarbeitungsleistung ist etwas schlechter als bei A380.

Anwendung: Geeignet für Szenen mit hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, wie z. B. Outdoor-Ausrüstung, Schiffsteile usw.

ADC12 (entspricht YL113 in China)

Merkmale: Eine in japanischen Normen häufig verwendete Aluminiumlegierung mit guter Gussleistung, Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitungsleistung sowie hoher Festigkeit.

Anwendung: Wird häufig in Produkten der mittleren bis oberen Preisklasse wie Automobilteilen, Audiogehäusen, Elektrowerkzeugen und Handyhüllen verwendet.

Andere umfassen:

AlSi9Cu3 (EN AC-46000): In Europa häufig verwendete Druckgusslegierung mit guter Fließfähigkeit und guter Schweißleistung;

AlSi12 (EN AC-44100): Wird für komplexe dünnwandige Produkte mit guter Duktilität verwendet;

YL104, ZL101: In China häufig verwendete Legierungen.

Warum Aluminium als Druckgussmaterial wählen?

Aluminiumlegierungen haben in Druckgussanwendungen unersetzliche Vorteile, die sich vor allem in folgenden Aspekten widerspiegeln:

Geringes Gewicht (leicht)

Die Dichte von Aluminium beträgt nur 2,7 g/cm³, was etwa einem Drittel der Dichte von Stahl entspricht. In Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Elektronik ist die Reduzierung des Gesamtgewichts von Produkten der Schlüssel zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Verbesserung der Leistung. Daher sind Aluminiumlegierungen zum bevorzugten Material geworden. Beispielsweise werden bei Fahrzeugen mit neuer Energie eine große Anzahl von Druckgussteilen aus Aluminiumlegierungen verwendet, um das Gewicht des gesamten Fahrzeugs zu reduzieren und die Lebensdauer zu verbessern.

Hohe Festigkeit und gute mechanische Eigenschaften

Moderne Aluminiumlegierungen verfügen nicht nur über eine hohe spezifische Festigkeit (Festigkeits-/Dichteverhältnis), sondern auch über eine gute Schlagzähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Nach der Wärmebehandlung und Verarbeitungsoptimierung reicht seine Festigkeit aus, um die Einsatzanforderungen der meisten Strukturteile zu erfüllen. Es eignet sich besonders für Teile, die bestimmten mechanischen Belastungen standhalten müssen, wie z. B. Motorgehäuse, Halterungen, mechanische Verbindungen usw.

Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

Aluminium bildet an der Luft schnell einen dichten Aluminiumoxid-Schutzfilm, der eine weitere Oxidation im Inneren verhindert. Aluminiumlegierungen weisen eine gute Witterungsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Sie können auch in feuchten, sauren Regen- und anderen Umgebungen eine lange Lebensdauer aufrechterhalten und eignen sich für Außen- oder Meeresumgebungen.

Gute Verarbeitbarkeit und Wärmeleitfähigkeit

Druckgussteile aus Aluminiumlegierung können nach dem Abkühlen problemlos bearbeitet werden, z. B. durch Drehen, Bohren, Gewindeschneiden usw., und bei der Bearbeitung entstehen keine schädlichen Gase. Gleichzeitig verfügt Aluminium über eine gute Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit, wodurch es sich gut für Gehäuse elektronischer Produkte, Heizkörper usw. eignet.

Gutes Aussehen und dekorative Wirkung

Die Oberflächenqualität von Druckgussteilen aus Aluminiumlegierung ist hoch, und Oberflächenbehandlungen wie Galvanisieren, Sprühen und Eloxieren lassen sich leicht durchführen und können zu hellen, schönen und dekorativen Teilen verarbeitet werden. Bei den Gehäusen von 3C-Produkten der Unterhaltungselektronik (wie Mobiltelefonen und Laptops) berücksichtigen Aluminiumdruckgussprodukte sowohl Struktur als auch Ästhetik und erfreuen sich großer Beliebtheit.

Verbesserung der Produkthaltbarkeit mit Druckgussteilen aus Aluminiumlegierung

Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

Einer der größten strukturellen Vorteile von Druckgussteilen aus Aluminiumlegierungen ist ihr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Das heißt, obwohl Aluminiumlegierungen eine geringe Dichte und ein geringes Gewicht haben, können sie nach vernünftigem Legierungsdesign und Druckgussverfahren sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen:

Geringe Dichte: Die Dichte von Aluminium beträgt etwa 2,7 g/cm³, was nur etwa einem Drittel der Dichte von Stahl entspricht. Dadurch werden die Druckgussteile leicht, was dazu beiträgt, die Belastung der Ausrüstung oder der gesamten Maschine zu reduzieren.

Hohe Festigkeit: Nach dem Druckguss können Legierungen wie A380 und ADC12 eine Zugfestigkeit von mehr als 300 MPa erreichen, was ausreicht, um die Anforderungen der meisten mittellastigen und strukturellen Anwendungen zu erfüllen.

Hohe Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit: Aluminiumlegierungen weisen eine gute Ermüdungsbeständigkeit bei dynamischen Belastungen auf und eignen sich sehr gut für die Herstellung von Teilen wie Motorgehäusen, Halterungen, Anschlüssen, Rahmen usw.

Dieses ideale Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht macht Druckgussteile aus Aluminiumlegierung sowohl stark als auch langlebig und stellt keine zusätzliche Belastung für das System dar, wodurch die Gesamtlebensdauer der Ausrüstung verlängert wird, besonders geeignet für die Automobil-, Luftfahrt-, Robotik-, Outdoor-Ausrüstung und andere Bereiche.

Hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit

Aluminiumlegierungen haben außerdem natürliche Vorteile bei der thermischen und elektrischen Leitung, was besonders bei Hochtemperatur-, Wärmezyklus- oder elektronischen Geräten wichtig ist:

Wärmeleitfähigkeit:

Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen beträgt üblicherweise 130–180 W/m·K (abhängig von der Art der Legierung) und ist damit viel höher als die von Eisen, Stahl und anderen Materialien.

Diese Funktion ermöglicht es Aluminiumdruckgussteilen, Wärme schnell abzuleiten, eine Überhitzung der Ausrüstung zu vermeiden und die Haltbarkeit von Komponenten in heißen Umgebungen zu verbessern.

Es wird in Motorkühlsystemen, LED-Kühlbasen, Kühlgehäusen für Mobiltelefone, Wechselrichtergehäusen und anderen Bereichen eingesetzt und bietet eine gute Leistung.

Elektrische Leitfähigkeit:

Obwohl die elektrische Leitfähigkeit von Aluminiumlegierungen geringer ist als die von reinem Kupfer, ist sie immer noch viel höher als die der meisten Strukturmaterialien und eignet sich gut für Komponenten, die Leitfähigkeit erfordern (z. B. Motorgehäuse und Anschlusskästen).

Gleichzeitig weisen Aluminiumlegierungen ein geringes Gewicht auf und eignen sich ideal für die Herstellung großformatiger, leichter Elektrogehäuse oder Abschirmteile.

Eine verbesserte thermische und elektrische Leitfähigkeit sorgt nicht nur für eine stabilere Produktleistung, sondern reduziert auch Schäden durch Überhitzung, thermische Ermüdung, übermäßigen Widerstand usw. und verbessert so die Gesamthaltbarkeit.

Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit and environmental adaptability (Resistance to Corrosion and Environmental Damage)

Druckgussteile aus Aluminiumlegierungen weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf, was der Schlüssel für ihre langlebigen Anwendungen in Outdoor-Ausrüstung, Automobilteilen, Schiffsteilen und anderen Szenarien ist:

Aluminium reagiert schnell mit Luftsauerstoff und bildet einen dichten Aluminiumoxid-Schutzfilm (Al₂O₃), der eine äußerst hohe Stabilität aufweist und eine weitere Oxidation wirksam verhindern kann.

Aluminiumlegierungen können auch in rauen Klimazonen wie Feuchtigkeit, hohem Salzgehalt und saurem Regen eine gute Oberflächen- und Strukturintegrität bewahren.

Es ist nicht leicht zu rosten und UV-Alterung zu widerstehen, was das Abblättern der Oberfläche, Rissbildung, Korrosionsperforation und andere durch Umwelteinflüsse verursachte Probleme reduzieren kann.

Durch Oberflächenbehandlungen (z. B. Eloxieren, elektrophoretische Beschichtung, Pulversprühen, Lackieren usw.) kann die Schutzwirkung weiter verbessert und die Lebensdauer verlängert werden.

Diese gute Anpassungsfähigkeit an die Umwelt bedeutet, dass das Produkt seine Leistung und sein Aussehen auch dann beibehält, wenn es längere Zeit im Freien, in Industrieumgebungen oder in stark verschmutzten Bereichen eingesetzt wird, wodurch die Wartungskosten gesenkt werden.

Hervorragende Gleichmäßigkeit und Dimensionsstabilität

Ein weiterer Hauptvorteil des Druckgusses aus Aluminiumlegierungen besteht darin, dass Teile mit einheitlicher Struktur und präzisen Abmessungen hergestellt werden können, was die langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit des Produkts von Anfang an gewährleistet.

Präzisionsformenbau:

Die Druckgussform besteht aus hochfestem Stahl mit hoher Hohlraumpräzision, wodurch Teile mit hoher Wiederholgenauigkeit in Massenproduktion hergestellt werden können und die Konsistenz der Teile gewährleistet wird.

In der vollautomatischen Druckguss-Produktionslinie kann der Maßfehler im Bereich von ±0,05 mm oder sogar kleiner kontrolliert werden.

Wärmebehandlung und Alterungsstabilität:

Eine angemessene Legierungsformel und ein Wärmebehandlungsprozess (z. B. Lösungsbehandlung und Alterungsbehandlung) können die Dichte der Organisation verbessern, innere Spannungen reduzieren und die Dimensionsstabilität des Materials verbessern.

Selbst bei Langzeitgebrauch oder drastischen Temperaturschwankungen verformt sich der Druckguss nicht leicht.

Einheitliche Materialstruktur:

Hochdruckeinspritzung und schnelles Abkühlen sorgen dafür, dass Druckgussteile aus Aluminiumlegierungen eine dichtere Kornstruktur, weniger Poren und Schrumpfung aufweisen, wodurch die Gleichmäßigkeit der Festigkeit und die Gesamtleistung verbessert werden.

Eine gute Strukturkonsistenz verbessert nicht nur die Montageeffizienz und Betriebsstabilität des Produkts, sondern reduziert auch die Kosten für Wartung und Austausch erheblich und verlängert so die Lebensdauer der gesamten Ausrüstung auf Systemebene.

Leistungssteigerung in kritischen Anwendungen

Automobilindustrie: Motorblock und Getriebegehäuse

Motorblock und Getriebegehäuse sind in der Automobilindustrie zwei wichtige Bauteile, die hohen mechanischen und thermischen Belastungen unterliegen. Mit der Förderung von Maßnahmen zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung achten Automobilhersteller immer mehr auf die Leichtigkeit und hohe Effizienz des Antriebssystems und stellen daher höhere Leistungsanforderungen an diese Schlüsselkomponenten.

Der Motorblock ist der Kernbereich der Verbrennung und Bewegung im Verbrennungsmotor. Es muss der hohen Temperatur und dem hohen Druck standhalten, die durch die Verbrennungsexplosion entstehen, sowie der Reibung und dem Aufprall, die durch die schnelle Hin- und Herbewegung des Kolbens verursacht werden. Daher muss es eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen. Obwohl herkömmliche Gusseisenmaterialien eine hohe Festigkeit aufweisen, sind sie schwer und eignen sich nicht für eine Leichtbaukonstruktion. In den letzten Jahren haben sich Aluminiumlegierungen zum bevorzugten Material entwickelt, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen mit hohem Siliziumanteil. Sie weisen nicht nur eine gute Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf, sondern lassen sich auch leicht in komplexe Formen formen, verbessern die strukturelle Integration und senken die Verarbeitungskosten. Darüber hinaus können durch die Verstärkung der Zylinderwand mittels Plasmabeschichtung oder thermischer Spritztechnik auch die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer wirksam verbessert werden.

Das Getriebegehäuse ist für die Aufnahme wichtiger Komponenten wie Zahnradsätze, Stützlager und Schmiersysteme verantwortlich. Es muss nicht nur eine präzise Dimensionsstabilität aufrechterhalten und die Genauigkeit des Zahneingriffs gewährleisten, sondern auch über eine gute Stoßfestigkeit und Geräuschreduzierung verfügen. Leichte und hochfeste Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen bieten hier große Vorteile. Vor dem Hintergrund der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist die Gewichtsreduzierung zu einer Designpriorität geworden. Darüber hinaus können fortschrittliche Druckgusstechnologien (wie Vakuumdruckguss und Hochdruckdruckguss) die Dichte und Oberflächenqualität verbessern und gleichzeitig die Festigkeit gewährleisten, wodurch das Risiko von Leckagen und Spannungskonzentrationen verringert wird. Einige High-End-Modelle haben sogar damit begonnen, Kohlefaser-Verbundwerkstoffe zur Herstellung von Getriebegehäusen zu verwenden, um die Leistungsleistung des Fahrzeugs weiter zu optimieren.

Im Automobilbau kann der Einsatz von Hochleistungsmaterialien und Präzisionsformtechnologie nicht nur die Gesamtleistung von Motor und Getriebe verbessern, sondern auch die Kraftstoffeffizienz, das Ansprechverhalten und die Lebensdauer des Fahrzeugs erheblich verbessern und die Automobilindustrie auf dem Weg zu einer umweltfreundlicheren und effizienteren Ausrichtung unterstützen.

Luft- und Raumfahrt: Leichtgewicht und Strukturfestigkeit

Die Luft- und Raumfahrtindustrie stellt extrem hohe Leistungsanforderungen an Strukturmaterialien, insbesondere bei High-End-Geräten wie Flugzeugen, Triebwerken und Satellitenplattformen. Es muss nicht nur das Leichtbauziel erreicht werden, sondern auch die strukturelle Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit in extremen Umgebungen müssen gewährleistet sein. Die Verbesserung der Gesamtleistung dieser Schlüsselkomponenten steht in direktem Zusammenhang mit der Flugeffizienz, der Sicherheit und der Optimierung von Reichweite und Last.

Die Hauptstrukturkomponenten des Flugzeugs, wie Rumpf und Flügel, sind über einen langen Zeitraum großer Höhe, niedriger Temperatur und hoher Belastung ausgesetzt. Um das Gewicht der gesamten Maschine zu reduzieren und die strukturelle Steifigkeit aufrechtzuerhalten, müssen Materialien mit hoher spezifischer Festigkeit und geringer Dichte verwendet werden. Die Aluminium-Lithium-Legierung ist aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen Festigkeit und spezifischen Steifigkeit eines der wichtigsten Materialien für die Herstellung des Rumpfes großer Zivilflugzeuge und militärischer Transportflugzeuge. Im Vergleich zu herkömmlichen Aluminiumlegierungen weist eine Aluminium-Lithium-Legierung eine geringere Dichte, einen höheren Elastizitätsmodul und eine gute Ermüdungsfestigkeit auf. Darüber hinaus weisen Titanlegierungen eine hervorragende Leistung in Bezug auf Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auf und werden häufig in Kompressorschaufeln, Verbindungsteilen und Hautstrukturen von Flugzeugtriebwerken verwendet, insbesondere in Überschallflugzeugen und Kampfflugzeugen mit hohem Schub-Gewichts-Verhältnis.

Beim Design von Raumfahrzeugen ist die Gewichtsreduzierung eines der obersten Ziele. Kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) spielen aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Formbarkeit eine wichtige Rolle in Satellitenhalterungen, Solarpanelstrukturen, Raketenabteilen und anderen Orten. Durch Finite-Elemente-Analyse und Topologieoptimierungsdesign kann der Lastpfad weiter sinnvoll verteilt, die strukturelle Redundanz minimiert und die Materialnutzungseffizienz verbessert werden.

Luft- und Raumfahrtstrukturen müssen sich auch mit der Materialverschlechterung auseinandersetzen, die durch Langzeitvibrationen, hochfrequente Ermüdung und thermische Zyklen verursacht wird. Zu diesem Zweck werden in der Herstellungs- und Wartungsphase häufig fortschrittliche Ermüdungsanalysemodelle und zerstörungsfreie Prüftechnologien eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Komponenten während ihrer Lebensdauer eine hohe Zuverlässigkeit beibehalten. Mit der Reife neuer metallbasierter Verbundwerkstoffe und der Technologie der additiven Fertigung (3D-Druck) wird die Leistung von Luft- und Raumfahrtkomponenten in Zukunft die traditionellen Einschränkungen weiter durchbrechen und effizientere und sicherere Möglichkeiten zur Durchführung von Flugmissionen bieten.

Elektronik: Kühler- und Gehäusesystem

In modernen elektronischen Geräten hat der rasante Anstieg der Leistungsdichte zu einem deutlichen Anstieg der Wärmeerzeugung geführt, insbesondere in Servern, Kommunikationsbasisstationen, 5G-Geräten, Hochleistungscomputern und elektronischen Steuerungssystemen für neue Energiefahrzeuge. Das Wärmeableitungsmanagement ist zu einem Schlüsselfaktor für den stabilen Betrieb des Systems und die Verlängerung seiner Lebensdauer geworden. Gleichzeitig stellen elektronische Produkte auch vielfältige Anforderungen an Gehäusematerialien, die strukturelle Festigkeit, elektromagnetische Abschirmung und Wärmemanagementfunktionen vereinen.

Das Design des Kühlkörpers wirkt sich direkt auf die Temperaturregelung des Chips oder Leistungselements aus. Zu den derzeit weit verbreiteten Materialien gehören hochreines Aluminium und Kupfer, von denen Kupfer eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist, Aluminium jedoch größere Gewichts- und Kostenvorteile bietet. Um die Wärmeableitungseffizienz zu verbessern, werden üblicherweise Rippen-, Wärmerohr- oder Flüssigkeitskühlstrukturen verwendet, um die Wärmeaustauschfläche zu maximieren und den Wärmeleitungspfad zu optimieren. Fortschrittliche thermische Schnittstellenmaterialien (TIM) wie wärmeleitendes Silikon, Phasenwechselmaterialien, Graphitplatten usw. werden ebenfalls häufig zwischen Chips und Kühlkörpern verwendet, um den thermischen Kontaktwiderstand zu verringern und die Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern.

Das Gehäuse elektronischer Geräte erfüllt nicht nur eine physische Schutzfunktion, sondern muss auch mehrere Aufgaben übernehmen, wie z. B. die Abschirmung elektromagnetischer Störungen, die Wärmeableitung und die strukturelle Unterstützung. Zu den gängigen Gehäusematerialien gehören Aluminiumlegierungen, Edelstahl und technische Kunststoffe (z. B. PC-ABS-Verbundwerkstoffe). Unter anderem wird Aluminiumlegierung aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, elektromagnetischen Abschirmung und guten Verarbeitbarkeit häufig in Laptops, Routern, Leistungsmodulen und anderen Geräten verwendet. Die Korrosionsbeständigkeit und dekorative Wirkung des Gehäuses kann durch Eloxieren, Aufsprühen oder leitfähiges Beschichten noch verstärkt werden.

Im Hinblick auf die Gestaltung der Produktstruktur werden Modularisierung, dünnwandige und integrierte Designtrends immer offensichtlicher, die darauf abzielen, die Raumnutzung zu verbessern und eine schnelle Montage zu ermöglichen. Gleichzeitig wird die gemeinschaftliche Gestaltung von Wärmeableitung und Struktur immer wichtiger. Beispielsweise kann bei Hochleistungs-GPUs oder 5G-HF-Modulen das Design eines integrierten Wärmeableitungsgehäuses die Wärmeansammlung wirksam reduzieren und die Gesamtfestigkeit des Systems verbessern. Für den elektrischen Steuerkasten oder das Batteriemanagementsystem (BMS) von New-Energy-Fahrzeugen muss das Gehäuse auch Brandschutz, Wasserdichtigkeit, Stoßfestigkeit und andere Funktionen berücksichtigen und einen stabilen Betrieb in rauen Umgebungen gewährleisten.

Wärmemanagement und Strukturdesign in elektronischen Geräten sind der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung der gesamten Maschine. Durch Optimierung der Materialauswahl, strukturelle Innovation und Verbesserung des Herstellungsprozesses kann die Zuverlässigkeit der Ausrüstung effektiv verbessert, die Lebensdauer verlängert und die Anforderungen immer komplexer werdender Anwendungsszenarien erfüllt werden.

Medizin und Industrie: Hochpräzise Komponentenfertigung

Im Bereich der medizinischen und industriellen Automatisierung stellen Geräte äußerst strenge Anforderungen an die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Materialsicherheit der Schlüsselkomponenten. Diese Anwendungsszenarien beinhalten oft besondere Bedingungen wie geringe Größe, Hochfrequenzbetrieb und extreme Arbeitsumgebung. Daher müssen die verwendeten hochpräzisen Komponenten präzise verarbeitet und leistungsstarke Materialien ausgewählt werden, um eine hervorragende Leistung über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu gewährleisten.

Bei medizinischen Geräten werden hochpräzise Komponenten häufig in Endoskopen, Operationsrobotern, zahnärztlichen Instrumenten, Implantaten (z. B. Hüftgelenken, Knochenschrauben) und anderen Produkten eingesetzt. Diese Komponenten müssen zwei grundlegende Anforderungen erfüllen: zum einen eine extrem hohe Maß- und Geometriegenauigkeit und zum anderen die Biokompatibilität mit dem menschlichen Körper. Zu den häufig verwendeten Materialien gehören Polymermaterialien wie Edelstahl (z. B. 316L), Titanlegierungen (z. B. Ti-6Al-4V) und PEEK, die nicht nur gute mechanische Eigenschaften aufweisen, sondern auch langfristig mit menschlichem Gewebe in Kontakt kommen können, ohne Abstoßungsreaktionen oder Entzündungsreaktionen hervorzurufen. In Bezug auf die Fertigungstechnologie kann durch den Einsatz von Präzisionsmitteln wie CNC-Fünf-Achsen-Bearbeitung, Elektrofunkenbearbeitung und Laserschneiden eine Maßkontrolle im Mikrometerbereich erreicht werden; Gleichzeitig können durch Polieren, elektrolytisches Polieren und Oberflächenbehandlung die Oberflächenbeschaffenheit und Korrosionsbeständigkeit verbessert und die Wahrscheinlichkeit einer Bakterienanhaftung verringert werden.

Auch in der industriellen Automatisierung und im Gerätebau sind hochpräzise Teile von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise bei Präzisionsgetrieben, Gleitschienen, Spindelbaugruppen, die in Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen, Roboter-Endeffektoren und optischen Messgeräten verwendet werden. Ihre Betriebsgenauigkeit bestimmt direkt die Wiederholgenauigkeit und Verarbeitungsqualität des gesamten Systems. Diese Komponenten bestehen meist aus Werkzeugstahl, Schnellarbeitsstahl oder Hartmetall und die Härte und Verschleißfestigkeit werden durch Wärmebehandlungsprozesse (wie Aufkohlen und Abschrecken, Induktionserwärmung usw.) verbessert. Einige Branchen, die äußerst empfindlich auf Qualitätskontrolle reagieren, wie die Halbleiterfertigung und die Inspektion von Luftfahrtteilen, verwenden auch nichtmagnetische Legierungen oder Keramikmaterialien, um besondere physikalische Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Mit der Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung werden additive Fertigung (3D-Druck), digitale Zwillinge und Online-Inspektionstechnologien nach und nach auf den Herstellungsprozess hochpräziser Komponenten angewendet, was nicht nur die Designfreiheit verbessert, sondern auch eine effizientere Qualitätsverfolgung und ein effizienteres Lebenszyklusmanagement ermöglicht. Gleichzeitig hat die Integration von Technologien wie Montageautomatisierung, Prozesssimulation und mehrachsiger kollaborativer Steuerung die Rolle hochpräziser Komponenten in medizinischen und industriellen Anwendungen immer wichtiger gemacht und die schnelle Entwicklung der gesamten Branche hin zu hoher Zuverlässigkeit, geringem Wartungsaufwand und hoher Leistung unterstützt.

Designflexibilität und komplexe Geometrien

Fähigkeit zur Herstellung komplexer Formen und strenger Toleranzkontrolle

Herkömmliche Bearbeitungstechniken wie Drehen, Fräsen und Bohren sind für Teile mit regelmäßigen Formen und einfachen Konturen äußerst effizient, bei komplexen Strukturen wie nichtlinearen Oberflächen, Hohlstrukturen, Kanälen mit mehreren Hohlräumen oder extrem kleinen Montageräumen sind sie jedoch oft schwierig herzustellen, kostspielig oder sogar unmöglich. Moderne Präzisionsformverfahren (wie Wachsausschmelzguss, Mikrospritzguss, pulvermetallurgisches Formen usw.) und additive Fertigung (wie laserselektives Schmelzen SLM, Elektronenstrahlschmelzen EBM, Stereolithographie SLA usw.) können die Herstellungsherausforderungen solch komplexer Strukturen problemlos bewältigen.

Beispielsweise ist es bei der Konstruktion von Flugzeugtriebwerksdüsen oder Kühlkanälen häufig erforderlich, gewundene Kühlkanalstrukturen in das Innere einzubetten. Wenn solche geometrischen Formen mit herkömmlichen Verfahren verarbeitet werden, sind sie nicht nur schwierig zu verarbeiten, sondern können auch die Konsistenz der Teile beeinträchtigen. Mit der Metall-3D-Drucktechnologie können Designer diese komplexen Strukturen direkt in das Teilemodell integrieren und sie in einem Arbeitsgang während des Druckprozesses formen, ohne dass zusätzliche Verarbeitungsschritte erforderlich sind, wodurch die Designfreiheit und die geometrische Komplexität erheblich verbessert werden. Gleichzeitig kann die Genauigkeit innerhalb von ±0,01 mm gesteuert werden, was den Anforderungen hochpräziser Anwendungsszenarien wie der Luftfahrt, der medizinischen Behandlung und der Mikroelektronik voll und ganz gerecht wird.

Die Kombination aus computergestützter Fertigung (CAM) und CNC-Bearbeitung mit Fünf-Achsen-Verbindung hat auch die Bearbeitungsmöglichkeiten komplexer geometrischer Teile verbessert. Durch präzise Bahnplanung und adaptive Werkzeugsteuerung kann eine hochpräzise Bearbeitung detaillierter Strukturen wie Fasen, gekrümmter Oberflächen und Fasen durchgeführt werden, wodurch Maßtoleranzen und Oberflächenrauheit effektiv kontrolliert werden. Diese Fähigkeit ermöglicht die funktionale Integration und strukturelle Optimierung des Designs und fördert außerdem die Entwicklung der Fertigung hin zu hoher Komplexität und hoher Leistung.

Mehrteiliges integriertes Design zur Verbesserung der strukturellen Effizienz und Festigkeit

Durch fortschrittliche Fertigungsmethoden können Konstrukteure Funktionen integrieren, die traditionell die Montage mehrerer Teile in einer einzigen Struktur erfordern, wodurch Komponenten vereinfacht, das Gewicht reduziert und die Festigkeit verbessert werden. Dieses funktionale integrierte Design ist das zentrale Mittel für „Gewichtsreduzierungsdesign“, „Strukturoptimierung“ und „Verbesserung der Montageeffizienz“, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, Automobilen, medizinischen Geräten und anderen Bereichen.

Beispielsweise können in der Luft- und Raumfahrtindustrie herkömmliche Fahrwerkskomponenten oder Triebwerkshalterungen aus Dutzenden oder sogar Hunderten von Teilen zusammengesetzt werden. Der Montageprozess ist nicht nur kompliziert, sondern es können auch Spannungskonzentrationen, Strukturschwächen oder Korrosionsrisiken an den Verbindungsstellen auftreten. Additive Fertigung oder integriertes Gießen können mehrere funktionale Strukturen in ein integrales Bauteil integrieren, wodurch Montageverbindungen erheblich reduziert, mechanische Eigenschaften verbessert und Verbindungsfehler wie Schrauben und Schweißnähte beseitigt werden.

In der medizinischen Industrie können auch komplexe chirurgische Instrumente, orthopädische Implantate wie Zwischenwirbelfusionsgeräte, künstliche Gelenke usw. durch Funktionsintegration ein integriertes strukturelles Design erreichen, um das Risiko von Ausfällen und Komplikationen nach der Implantation zu verringern. Integriertes Design kann Maßabweichungen, Form- und Positionsfehler sowie Passungsprobleme, die durch das Spleißen von Teilen entstehen, erheblich reduzieren und so die Produktkonsistenz und Qualitätsstabilität grundlegend verbessern.

Durch diese Komponentenintegration wird nicht nur eine Optimierung auf struktureller Ebene erreicht, sondern auch die spätere Wartung, Aufrüstung und Wiederaufbereitung erleichtert, wodurch die Herstellungs- und Verwaltungskosten des Produkts während seines gesamten Lebenszyklus gesenkt werden.

Reduzieren Sie den Bedarf an Bearbeitungs- und Nachbearbeitungsprozessen und sparen Sie Herstellungskosten

In der traditionellen Fertigung erfordern komplexe Strukturen oft die gleichzeitige Durchführung mehrerer Prozesse und mehrerer Geräte, wie z. B. Grobbearbeitung, Feinbearbeitung, Stanzen, Gewindeschneiden, Schweißen, Nieten, Spritzen usw. Jeder zusätzliche Prozess erhöht nicht nur die Kosten, sondern erhöht auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern und Prozessabweichungen. Durch ein hochintegriertes Design in Kombination mit fortschrittlichen Herstellungsprozessen können die nachfolgenden Bearbeitungs- und Oberflächenbehandlungsvorgänge jedoch erheblich reduziert werden.

Am Beispiel des Hochdruck-Druckgusses aus Aluminiumlegierungen können mit der modernen Druckgusstechnologie komplexe Geometrien und dünnwandige Strukturen in einem einzigen Schritt geformt werden, und nach der Bearbeitung ist keine oder nur eine sehr geringe Nachbearbeitung erforderlich. Beispielsweise können beim Metall-3D-Druck Teile mit Innengewinde, Netzstrukturen und Materialien mit Funktionsgradienten direkt geformt werden, ohne dass zusätzliches Stanzen, Drehen oder Zusammenbauen erforderlich ist, was den Herstellungszyklus erheblich verkürzt. Gleichzeitig wurde auch die Ausnutzungsrate der Rohstoffe verbessert – die Materialausnutzungsrate herkömmlicher Schneidverarbeitungsmethoden beträgt im Allgemeinen nur 30 bis 50 %, während die additive Fertigungstechnologie mehr als 90 % erreichen kann, wodurch der Abfall erheblich reduziert wird.

Darüber hinaus kann die Reduzierung der Verarbeitungsschritte auch dazu beitragen, die Produktkonsistenz und die Ausbeute zu verbessern. Bei jeder Prozessumstellung kann es zu Fehlerhäufungen und Qualitätsschwankungen kommen. Die integrierte Fertigung verkürzt die Produktionskette und reduziert menschliche Eingriffe, was einer qualitativ hochwertigen Produktion in großem Maßstab förderlich ist.

Aus industrieller Sicht trägt die Reduzierung von Bearbeitungs- und Nachbearbeitungsprozessen nicht nur zur Senkung der direkten Herstellungskosten bei, sondern senkt auch den Energieverbrauch, verringert die Investitionen in Anlagen und die Wartung und verkürzt die Produktlieferzyklen. Es ist ein wichtiger Ausdruck umweltfreundlicher Produktion und nachhaltiger Entwicklung.

Unterstützung des strukturellen Optimierungsdesigns und der Topologieoptimierung zur Maximierung der Leistung

Die Flexibilität des Strukturdesigns spiegelt sich auch in der praktischen Anwendung der Topologieoptimierung wider. Topologieoptimierung ist eine Entwurfsmethode, die mathematische Modellierung verwendet, um die optimale Materialverteilungsmethode unter gegebenen Randbedingungen, Belastungen und Materialbeschränkungen zu finden. Dabei entstehen häufig unkonventionelle Freiformstrukturen, die mit herkömmlicher Verarbeitung nur äußerst schwer zu erreichen sind, sich aber durch 3D-Druck oder Präzisionsgussverfahren effizient herstellen lassen.

Beispielsweise kann die Topologieoptimierung der Stützstruktur im Inneren des Flugzeugs, der Verbindungsstruktur des Roboterarms, der bionischen Skelettkomponenten usw. das Gewicht erheblich um 20 bis 50 % reduzieren und gleichzeitig die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften beibehalten oder sogar verbessern. Diese Optimierung kann auch mit einer multiphysikalischen Feldsimulationsanalyse (z. B. thermisches Spannungsfeld, Vibrationsfeld) kombiniert werden, um ein multiobjektives Design der thermisch-mechanischen Kopplung, der Vibrationsdämpfung und der Gewichtsreduzierung zu erreichen.

Darüber hinaus kann generatives Design als verbesserte Form der Topologieoptimierung in Kombination mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz schnell Dutzende oder sogar Hunderte von strukturellen Entwurfsschemata generieren und durch Simulation schnell die besten Ergebnisse ermitteln. Diese Formen sind mit traditionellen Verfahren oft schwer zu erreichen, können aber durch fortschrittliche Technologien wie Metalldruck und Mikroguss direkt in physische Produkte umgewandelt werden, sodass Designkonzepte und Fertigungsmöglichkeiten wirklich vereinheitlicht werden können.

Kosteneffizienz ohne Qualitätseinbußen

Niedrigere Produktionskosten für große Mengen

Wenn der Produktionsumfang ausgeweitet wird, sinken die Stückkosten erheblich, was eine der grundlegendsten und effektivsten Möglichkeiten zur Kostensenkung in der Fertigungsindustrie darstellt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei Fertigungstechnologien mit hoher Automatisierung und Investitionen in feste Formen, wie zum Beispiel Hochdruckguss, Spritzguss, Pulvermetallurgie und Präzisionsguss. Nachdem die Formentwicklung abgeschlossen ist, können diese Prozesse kontinuierlich in Chargen ausgeführt werden, um komplexe Teile schnell zu reproduzieren, wodurch die Anfangsinvestition verwässert und die Herstellungskosten jedes einzelnen Teils erheblich gesenkt werden.

Beispielsweise werden in der Automobilindustrie Teile wie Getriebegehäuse oder Motorhalterungen häufig in Massenproduktion mit Hochdruck hergestellt Druckguss aus Aluminiumlegierung Prozesse. Obwohl die anfänglichen Formenentwicklungs- und Ausrüstungsinvestitionen hoch sind, können die Grenzkosten jedes Produkts innerhalb eines Produktionszyklus von Zehntausenden oder sogar Hunderttausenden Teilen auf weniger als 1/5 der herkömmlich bearbeiteten Teile gesenkt werden. Gleichzeitig reduziert der Einsatz vollautomatischer Druckguss- und intelligenter Erkennungssysteme den Personalbedarf und die Fehlerwahrscheinlichkeit, wodurch die Produktionseffizienz weiter verbessert wird.

Die Förderung standardisierter und modularer Bauweise trägt zudem dazu bei, den Grad der Serienfertigung zu erhöhen. Durch die gemeinsame Nutzung des strukturellen Designs von Teilen für mehrere Produktplattformen kann nicht nur der Produktionsumfang eines einzelnen Teils erweitert werden, sondern auch die Art der Formen, die Lagerhaltungskosten und die anschließenden Wartungsinvestitionen können reduziert werden.

Diese effiziente Chargenstrategie eignet sich besonders für Branchen mit hoher Nachfrage, wie z. B. Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräte, Transportausrüstung und medizinische Geräte. Dadurch wird nicht nur die Konsistenz und Zuverlässigkeit der Teile gewährleistet, sondern auch eine gute Kostenkontrolle erreicht.

Lange Produktlebensdauer, hohe Zuverlässigkeit und geringere Folgewartungs- und Austauschkosten (Längere Lebensdauer bedeutet geringere Wartung)

Eine hohe Kostenleistung bedeutet nicht nur Kostenvorteile in der Herstellungsphase, sondern spiegelt auch die Optimierung der Produktlebenszykluskosten wider. Durch die Auswahl von Hochleistungsmaterialien, die Optimierung des Strukturdesigns und der Fertigungsgenauigkeit werden die Wartungshäufigkeit, die Ausfallrate und der Austauschzyklus des Produkts während des Betriebs erheblich reduziert, wodurch sich für die Benutzer insgesamt niedrigere Nutzungskosten ergeben.

Beispielsweise sind in den Bereichen Maschinenbau, Schienenverkehr, Energieausrüstung usw. einige Schlüsselkomponenten (wie Hydraulikzylinder, Ventilkörper, verschleißfeste Buchsen usw.) langfristiger Hochlastarbeit ausgesetzt. Wenn gewöhnliche Materialien und Verarbeitungsmethoden verwendet werden, kann es zu frühem Verschleiß oder struktureller Ermüdung kommen, was zu Wartungsstillständen oder sogar zum Austausch der gesamten Maschine führt. Durch den Einsatz korrosionsbeständiger und verschleißfester Legierungsmaterialien (z. B. Nickelbasislegierungen, Werkzeugstähle und Titanlegierungen) in Kombination mit Wärmebehandlung und Oberflächenverstärkung (z. B. Aufkohlen, Nitrieren und PVD-Beschichtung) kann die Lebensdauer von Teilen erheblich verbessert werden. Obwohl der anfängliche Stückpreis möglicherweise etwas höher ist, ist während der Lebensdauer kein häufiger Austausch und keine häufige Wartung erforderlich, und die Gesamtbetriebskosten werden erheblich gesenkt.

In Szenarien wie Baubeschlägen und Wasseraufbereitungsanlagen wird aufgrund des Vorteils der „Wartungsfreiheit“ auch die Verwendung von Edelstahl oder hochfesten Verbundwerkstoffen bevorzugt. Diese Materialien weisen eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit auf und eignen sich für den Einsatz in rauen Umgebungen. Sie erfordern keine regelmäßige Reinigung, Beschichtung oder Reparatur, wodurch später viele Kosten gespart werden.

Langlebige Produkte bedeuten auch eine Reduzierung von Ausfallzeiten und Investitionen in die Personalwartung, was besonders wichtig für die industrielle Automatisierung, unbeaufsichtigte Systeme und wichtige lebenserhaltende Geräte (z. B. medizinische Geräte) ist. Diese Strategie „Qualität im Austausch für Wartungseinsparungen“ ist für High-End-Fertigungsunternehmen zu einem wichtigen Weg geworden, um den Ruf ihrer Marke und die Kundenbindung aufzubauen.

Hohe Materialausnutzung, reduzierter Abfall und Umweltbelastung (geringerer Materialabfall im Vergleich zu anderen Verfahren)

Herkömmliche Bearbeitungsmethoden wie CNC-Drehen und -Fräsen erfordern normalerweise das Abschneiden einer großen Menge überschüssigen Materials vom gesamten Materialstück, um die endgültige Form zu erhalten. Diese „subtraktive Fertigungsmethode“ verschwendet nicht nur Material und erzeugt große Mengen an Spänen, sondern erhöht auch die Kosten für die Abfallentsorgung und die Rohstoffbeschaffung. Moderne „Near-Net-Shape-Manufacturing“- und additive Fertigungstechnologien verbessern die Materialausnutzung erheblich und reduzieren die Ressourcenverschwendung, indem sie so nah wie möglich an die Größe des fertigen Produkts herangeführt werden.

Beispielsweise werden in der Pulvermetallurgie, im Metallspritzguss (MIM) und im Präzisionsdruckguss die Rohstoffe direkt durch Formpressen oder Schmelzinjektion erzeugt, um die Zielform zu erzeugen, und es besteht fast keine Notwendigkeit, überschüssiges Material in der späteren Phase zu entfernen. Die Materialausnutzungsrate dieser Art von Prozess kann im Allgemeinen mehr als 90 % erreichen, was viel höher ist als die 30–50 % der mechanischen Bearbeitung. Beim Metall-3D-Druck kann ungeschmolzenes Pulver recycelt werden, um die Effizienz der Ressourcennutzung weiter zu verbessern.

Materialeinsparungen führen nicht nur zu Kostensenkungen, sondern auch zu einem kleineren CO2-Fußabdruck und einem geringeren Energieverbrauch. Die Reduzierung von Materialabfällen und die Verringerung des Schmelz- und Recyclingdrucks werden der Fertigungsindustrie dabei helfen, ihre Ziele für eine umweltfreundliche Produktion zu erreichen und immer strengere Umweltvorschriften sowie die Anforderungen der Kunden an eine nachhaltige Entwicklung zu erfüllen.

Im Kontext des immer stärker zum Mainstream werdenden Leichtbaus kann durch die Kombination von Topologieoptimierung, Funktionsintegration und Hochleistungsmaterialien nicht nur eine stärkere Struktur mit weniger Material erreicht werden, sondern auch die Kosteneffizienz von Teilen weiter verbessert werden. Dieses „Weniger ist mehr“-Designkonzept wird zu einem der zentralen Wettbewerbsfaktoren im Fertigungsbereich der Zukunft werden.