36Kr Exklusiv | Ein Unternehmen für metallischen 3D-Druck hat eine Finanzierung im Wert von mehreren zehn Millionen Yuan abgeschlossen und hat bereits Produkte an führende Kunden im kommerziellen Luft- und Raumfahrtsektor ausgeliefert.

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Autor | QIAO Yujie

Redakteur | YUAN Silai

Hard Krypton erfuhr, dass Jiuhe Advanced Science and Technology (Beijing) Co., Ltd. (im Folgenden als „Jiuhe-Unternehmen“ bezeichnet), ein Anbieter von Strukturbauteilen für die additive Fertigung und spezialisierten Werkstoffen, den Abschluss einer Pre-A+-Finanzierungsrunde in Höhe von mehreren zehn Millionen Yuan bekanntgab. Diese Finanzierungsrunde wurde exklusiv vom Zhuzhou Beidou Raumzeit Industriefonds investiert.

Das Jiuhe-Unternehmen wurde 2024 gegründet, mit Werkstoffwissenschaft und -technologie als Kern. Es liefert hochleistungsfähige Strukturbauteile für die additive Fertigung (3D-Druck), spezielle Werkstoffe und entsprechende Lösungen für die Hochleistungsfertigungsbereiche wie Luft- und Raumfahrt, Kernfusion, Niedrigluftwirtschaft und humanoide Roboter. Dr. XIA Tian, Gründer des Jiuhe-Unternehmens, ist Mitglied des Jugendexpertenausschusses des Chinesischen Verbands für die additive Fertigungsindustrie und Vorstandsmitglied des Chinesischen Verbands für Laserfertigungstechnik und industrielle Innovation. Er ist seit langem in den Bereichen Werkstoffzusammensetzungsdesign, Leistungssteuerung sowie Forschung und Investitionen in die additive Fertigungsindustrie tätig.

Laut XIA Tian gegenüber Hard Krypton wandelt sich die Branchennachfrage mit der schrittweisen Reifung der Metall-3D-Druckindustrie von „kann gedruckt werden“ zu „schnell, gut und günstig drucken“. Dementsprechend verlagert sich der industrielle Wettbewerb auch von der frühen Dominanz von Geräten und Druckverfahren hin zur koordinierten Optimierung von Werkstoffen, Verfahren und Formgebungsfähigkeit. Die Werkstofftechnik wird zu einem entscheidenden Schlüsselfaktor, der die Kosten der additiven Fertigung und die Produktleistung beeinflusst.

Die vollständige Prozessbearbeitung von Werkstoffen für die metallische additive Fertigung umfasst vier Hauptschritte: Legierungsschmelzen, Zerstäubungspulverherstellung, 3D-Druck und Wärmebehandlung. Die Temperatur, die Größe des Schmelzbades und die Abkühlgeschwindigkeit in jedem Schritt können die endgültige Leistung beeinflussen.

XIA Tian erklärte, dass der 3D-Druck von der Mutterlegierung über die Pulverherstellung bis zum Druck sowohl das langsame Erstarren eines großen Schmelzbades als auch das schnelle Erstarren eines kleinen Schmelzbades umfasst, und diese Zustände treten sich überkreuzend auf. Wenn der Werkstoff nur auf Basis des schnellen Erstarrens des kleinen Schmelzbades während des Drucks entworfen wird, kann dies zu Problemen bei der Pulverherstellung und der Mutterlegierung führen; aber die endgültige Gefügestruktur hängt tatsächlich vom Druckschritt ab. Daher muss das Design der Werkstoffzusammensetzung den gesamten Prozess berücksichtigen, anstatt nur einen einzelnen Arbeitsgang separat zu optimieren.

Um dieses Problem zu lösen, kombiniert das Jiuhe-Unternehmen das Werkstoffdesign mit der Steuerung der Verfahrensformgebung.

Auf der Werkstoffseite kann das Unternehmen auf Basis der Merkmale des schnellen Erstarrens kleiner Schmelzbade Modelle zur Korrelation zwischen Elementverteilung, Phasenstruktur, Rissanfälligkeit und mechanischen Eigenschaften aufbauen und mithilfe der KI-gestützten Werkstoffberechnungstechnologie eine Mehrzieloptimierung der Legierungszusammensetzung durchführen. Anschließend wird die Zielzusammensetzung durch experimentelle Herstellung in kleinen Chargen und Leistungsbeschreibung schrittweise verifiziert und festgelegt.

Im Hinblick auf die Steuerung von Gefüge und Leistung kann das Unternehmen in Kombination mit den Eigenschaften des Werkstoffs selbst sowie den Merkmalen von Kristallkörnern und Phasen in der additiven Fertigung den Gefügezustand von Pulverpartikeln, Laserschmelzbädern und endgültigen Bauteilen vorhersagen. Durch die Gestaltung des Pulvergefüges, die Steuerung des Erstarrungsgefüges sowie die Optimierung von heißisostatischem Pressen und Wärmebehandlungsverfahren wird das innere Gefüge des Werkstoffs besser an die Anforderungen der endgültigen Anwendung angepasst.

Für das häufige Problem der Rissbildung im Metall-3D-Druck hat das Jiuhe-Unternehmen einen kostengünstigen, hochfesten druckbaren Aluminiumwerkstoff entwickelt, der ohne Seltenerdelemente sowohl hohe Festigkeit als auch niedrige Kosten gewährleistet, eine Streckgrenze von über 500 MPa erreicht und der Werkstoffpreis beträgt nur mehr als hundert Yuan pro Kilogramm. Seine technische Idee besteht darin, spezielle in-situ erzeugte Nanopartikel im Aluminiumwerkstoff zu entwerfen und durch Verfahrenssteuerung sicherzustellen, dass diese Partikel im geschmolzenen Aluminium mehrere zehn Minuten bis etwa eine Stunde stabil vorliegen. Dementsprechend koordiniert das Unternehmen die Verfahrenszeiten von Schmelzen, Pulverherstellung und anderen Schritten, um sicherzustellen, dass der Werkstoff während des Druckprozesses durch Auflösung und Wiederausscheidung der Nanopartikel den Gefügezustand verbessern und das Risiko der Rissbildung verringern kann.

Neben dem Werkstoffdesign betrachtet das Jiuhe-Unternehmen die Verfahrensformgebungssteuerung als weitere Kernkompetenz. Das Unternehmen baut ein über skalen übergreifendes Simulationsmodell zwischen Mikrogefüge, Schmelzbadstruktur und Bauteilleistung auf, um die Druckparameter vorherzusagen und zu optimieren, um Defekte wie Poren und Risse zu reduzieren. Gleichzeitig nutzt es Spannungssteuerungs- und Verformungsverhinderungstechnologien, um die innere Restspannung und ihre Verteilung im Bauteil anzupassen, die endgültige Formgebungsgenauigkeit zu verbessern und durch Technologien für den Druck feiner Strukturen und die integrale Herstellung komplexer Strukturen die Anforderungen der Hochleistungsfertigung an komplexe Bauteile zu erfüllen.

Im Bereich der kommerziellen Raumfahrt wurden diese Fähigkeiten bereits auf viele Arten von wichtigen Strukturbauteilen angewendet.

Bei dem Gehäuse der Turbopumpe für Flüssigraketentriebwerke verwendet das Jiuhe-Unternehmen die integrale Formgebungstechnologie und steuert die Spannungsverteilung und Formgebungsgenauigkeit des Bauteils durch ein Niederspannungs-Formgebungskonzept. Bei dem geschlossenen Laufrad von Flüssigraketentriebwerken realisiert das Unternehmen den Druck ohne Stützkonstruktionen, ohne dass Stützkonstruktionen im Inneren des Strömungskanals angeordnet werden müssen. Die Stützmenge wird im Vergleich zu herkömmlichen Formgebungsverfahren um 96 % reduziert. Das Unternehmen gab ferner an, dass durch die Steuerung des Werkstoffgefüges das Produkt ungünstige Gefügemerkmale wie Nadelphasen beseitigt, die Bruchdehnung bei niedrigen Temperaturen (-196 ℃) um etwa 50 % erhöht wird und die entsprechenden Indikatoranforderungen erfüllt werden.

(Bildquelle / Unternehmen)

(Bildquelle / Unternehmen)

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Darüber hinaus wurde der Hall-Schubdruckstromregler des Unternehmens bereits im Orbit betrieben. Für die feinen Strömungskanäle im Inneren dieser Art von Bauteilen hat das Unternehmen eine Poliertechnologie für feine Strömungskanäle entwickelt, die Strömungskanäle mit einem Durchmesser von bis zu 1 mm bearbeiten kann und den Innendurchmesser innerhalb von ±0,1 mm steuert.

Derzeit hat das Jiuhe-Unternehmen die Validierung durch führende Kunden im Bereich der kommerziellen Raumfahrt abgeschlossen und ist exklusiver Lieferant einiger wichtiger Produkte für mehrere führende kommerzielle Raumfahrtunternehmen. Zukünftig plant das Unternehmen, die Bereiche Niedrigluftwirtschaft, Kernfusion und humanoide Roboter weiter auszubauen, um wichtige Strukturbauteile und Werkstofflösungen für entsprechende Szenarien bereitzustellen.

Im Folgenden die Frage-Antwort-Runde mit dem Gründer:

Hard Krypton: Das Unternehmen erwähnt, dass es einen KI-Agenten für die additive Fertigung entwickelt. Welche genaue Rolle spielt er im Werkstoffdesign und in der Produktherstellung?

XIA Tian: Während des Werkstoffentwicklungsprozesses sammeln wir eine große Menge an Daten, einschließlich des inneren Gefüges der Werkstoffe, der mechanischen Eigenschaften sowie der Versuchs- und Herstellungsdaten unter verschiedenen Verfahrensbedingungen. Diese Daten bilden die Grundlage für KI-Modelle. Wir hoffen, dass die KI in Zukunft auf Basis der gesammelten Werkstoff- und Verfahrensdaten eine Optimierung der Druckparameter auf nahezu Schmelzbadebene realisieren kann, um die Leistung zu verbessern und die Kosten zu senken. Andererseits prüfen wir während des Produktions- und Lieferprozesses auch Indikatoren wie die chemische Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften und die Verformungsmenge jedes einzelnen Bauteils. Diese Prüfdaten können das Modell kontinuierlich korrigieren, uns helfen, die Beziehung zwischen Werkstoffeigenschaften und Verfahren genauer zu verstehen, die schnelle Entwicklung neuer Legierungswerkstoffe und die Festlegung von Verfahrensparametern zu realisieren.

Hard Krypton: Die Strukturbauteile, die das Unternehmen im Bereich der kommerziellen Raumfahrt ausgeliefert hat, verfügen über hohe Leistungsindikatoren. Was ist der Kernvorteil von Jiuhe Advanced im Vergleich zu anderen Unternehmen für additive Fertigung?

XIA Tian: Ich sehe das vor allem in drei Aspekten.

Erstens die Fähigkeit zur integralen Formgebung komplexer Strukturen. Im Vergleich zum traditionellen Gießen hat der 3D-Druck bereits viele Schweißanforderungen reduziert. Aber einige Bauteile mit besonders komplexen Strukturen erfordern immer noch den getrennten Druck und anschließendes Schweißen. Wir möchten das Schweißen so weit wie möglich vermeiden und die integrale Formgebung der Bauteile realisieren, um die Einschränkungen durch die Verbindungsschritte zu reduzieren.

Zweitens die Fähigkeit zur Formsteuerung von großformatigen dünnwandigen Bauteilen. Die traditionelle mechanische Bearbeitung gewährleistet die Hauptabmessungen hauptsächlich durch die Gerätegenauigkeit, aber der 3D-Druck beinhaltet das Schmelzen und erneute Erstarren von Werkstoffen, wobei die Gerätegenauigkeit nur einer der Faktoren ist. Wie der Werkstoff während des Erstarrungsprozesses innere Spannungen bildet und wie die Spannungen verteilt sind, beeinflusst die endgültige Maßgenauigkeit der Bauteile.

Unsere Fähigkeit zur Steuerung des Werkstoffgefüges hilft uns, diese Variablen besser zu kontrollieren. Bei einigen Schlüsselabmessungen von großformatigen Bauteilen haben wir durch praktische Fälle bereits eine Genauigkeitssteigerung realisiert, in einigen Fällen kann dies um ein Mehrfaches oder sogar um ein bis zwei Größenordnungen verbessert werden.

Drittens die Fähigkeit zum Druck komplexer Bauteile unter Berücksichtigung von Effizienz und Genauigkeit. Einige präzise Bauteile stellen hohe Anforderungen an feine Strukturen und Oberflächenqualität. Obwohl die Verwendung feinerer Pulver und kleinerer Drucklichtflecken die Genauigkeit verbessern kann, sinkt die Druckeffizienz deutlich. Für Bereiche wie die kommerzielle Raumfahrt, die sowohl Kosten als auch Liefergeschwindigkeit berücksichtigen müssen, können wir eine relativ präzise Formgebung realisieren, ohne die Druckeffizienz erheblich zu beeinträchtigen, und diese Art von Bauteilen tatsächlich an Kunden ausliefern.

Diese drei Fähigkeiten scheinen oberflächlich betrachtet Verfahrensvorteile zu sein, aber dahinter steht die Werkstofftechnik. Nur wenn wir die komplexen Veränderungen des Werkstoffs während des Schmelzens, Erstarrens und der Wärmebehandlung verstehen und das innere Gefüge und die Spannungsverteilung des Werkstoffs steuern können, lassen sich die endgültige Form, Abmessungen und Leistung der Bauteile weiter steuern. Für uns ist das Werkstoffdesign kein unabhängiger Arbeitsgang vor dem Druck, sondern eine Grundlage, die den gesamten Prozess der additiven Fertigung durchzieht.