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3D打印机大型化:美国花72小时造出8米长巡逻艇


随着3D打印技术的商业化,人们也在进行不断创新,其应用的材料和3D打印尺寸不断扩大,打印的速度也更快,能够造船、造桥、造房子、甚至于造火箭。即便是制造一艘玻璃纤维的现代小船,也是一项漫长而繁琐的工作。工人需要先制造出一个模具,并在模具内部制作树脂和玻璃纤维层。


图示:Relativity Space正在使用大型连续焊接机器人制造太空火箭的零件


待结构成型后再进一步打磨完成。造这样一艘船可能需要几个月的时间。不过,美国缅因大学的研究人员目前只花了72个小时就造出一艘8米长的巡逻艇。他们的诀窍是巨大的3D打印机。

自从20世纪90年代3D打印机商业化以来,通常被工厂用来制造模型、喷气发动机组件和牙套等小物件。现在,新一代的超大打印机即将问世,它们能够制造出比以前更大的物体,并以更快的速度打印出来。

3D打印巡逻艇是美国陆军项目的一部分。美国缅因大学的团队与位于田纳西州的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)进行合作,后者帮助开发打印流程,而位于伊利诺斯州的Ingersoll机床公司则制造出3D打印机。缅因大学认为,对于造船这一缅因州常见的行业而言,大型3D打印机将大幅削减制造新船的成本和时间。

规模很重要

一般来说,3D打印机能打印出的最大物体是由打印机本身大小决定的,但市面上大多数3D打印机并不比家用冰箱大多少。多年来,工程师们想出了各种方法来扩大规模,比如把打印装置安装在外部支架上。但结果往往是设备行动缓慢且打印不精确,制造出的东西需要大量繁琐的人工再加工。

美国缅因大学开发的打印机克服了规模问题,其将3D打印机的喷嘴悬挂起来,其中喷出的熔融热塑性树脂,含有碳纤维。在计算机的控制下,喷嘴水平移动,一层一层地向上构建所需对象。每一层完成后,喷嘴稍微升高,在其上沉积另一层,直到物体被打印完成。

缅因大学的打印机能够以每小时70公斤的速度挤压材料,目前可以制造30米长,7米宽,3米高的东西,而且可以通过建造一个更大的龙门吊来增加制造物体的尺寸。配置喷嘴的机械臂也可以安装自动铣削头等加工设备,从而对打印出的物体表面进行精细打磨。


图示:美国缅因大学的3D打印船


缅因大学还正在试图改变合成材料的性质,使其生产过程更加环保。项目负责人之一的哈比卜·达格(Habib Dagher)表示,他们的目标是用一种含有50%木制品的材料来完成3D打印,这将产生一种强度和重量与铝相当的复合材料。随着进一步的研究,项目小组希望以每小时230公斤的速度打印材料。

研究人员最近还使用纤维素纤维和一种由玉米制成的树脂来打印用于建造船只屋顶的模具。为了使生产过程更加环保,这个模具可以回收,材料可以得到再次利用。

只需按下“打印”

橡树岭能源效率主管克雷格·布鲁(Craig Blue)表示,制作模具和生产工具将是大尺寸3D打印技术的一项重要工作。模具制造之所以昂贵有两个方面的原因。首先制造模具需要专业技能,而且生产的产品往往是一次性或者是小批量生产,所以没有规模经济效益。然而,对于3d打印机来说,制造一件或多件物品的成本大致相同。

3D打印还有其他优势。例如,承包商使用橡树岭国家实验室的系统来打印混凝土铸件的特殊形状模具。通常,这种模具是由熟练木匠用木头制成,只能维持三到四次浇筑,所以建筑工人们需要很多这类模具。但是布鲁表示,3D打印的模具由碳纤维增强塑料组成,能够承受至少200次的浇筑。

橡树岭国家实验室也在研究直接打印混凝土结构的方法。建造大型3D打印平台的可行性表明,打印摩天大楼和其他大型建筑最好不要一次性完成,而是逐步完成较小部分再进行组装。在工厂控制条件下打印预制混凝土构件,然后现场组装,更适合复杂的建筑结构。这也是中国清华大学的徐伟国和同事采取的方法。他们用一对机械手臂挤压混合了聚乙烯纤维的混凝土,打印出预制构件,然后组装成横跨上海一个工业园区池塘的26米人行桥。

这座人行桥是根据建于公元600年左右的赵州桥建造的。复制桥的打印时间为450个小时,与缅因大学打印出船的时间标准大致相当。但无论是与赵州桥的10年建造时间相比,还是与现代建筑工地的建设速度相比,都显得非常快。研究人员估计,3D打印桥梁生产成本大约是传统混凝土浇筑桥梁的其三分之二。

其他形式的3D打印也变得越来越大、越来越快。美国伊利诺斯州西北大学的查德·米尔金(Chad Mirkin)和他的同事们提出了一种他们称之为“高速大尺寸3D打印”(HARP)的技术。他们的原型机可以打印出四米高,横截面接近一平方米的东西,主要是通过把固化物体从一个浅的液体聚合物池中拉起实现的。

这种3D打印机扩展了现有的一种3D打印方法。在这种方法中,设备首先将液体聚合物装在带有透明底座的容器中,并将要打印物体的紫外线图像投射到基座上层。接着打印机触发的化学反应会在基座正上方固化相应的一层聚合物,使其凝固成投射光线的图像。第一层附着在从上往下放入液体的工具上。当工具被抬起时,它将打印的第一层从池中抬起,以允许从下面添加后续层。

HARP技术的创新之处在于有一层油膜流过透明基座。研究人员说,这种油就像“液体特氟隆”,可以防止聚合物层粘在基座上,还可以消除固化过程中产生的热量。结果是3D打印机可以运行得比以前快得多。米尔金说,它可以在几小时内打印出成人大小的物体。使用这种方法的传统3d打印机则需要几天时间。

HARP技术可以大规模打印各种材料,包括数百种软硬不同的聚合物。它还可以印刷含有碳化硅等材料的树脂,从而加工成耐磨耐热陶瓷。由所有这些材料制成的部件可能用于从汽车、飞机到建筑物等各种产品。米尔金与人合作创办了一家名为Azul 3D的公司,将这一过程商业化,预计第一台HARP打印机将在18个月内上市。

打印金属

然而,3D打印面临的最困难任务是打印大型金属物体。其主要方法是用激光或电子束熔化金属粉末并逐层构造。为了防止金属粉末氧化、被空气中的杂质污染,甚至于爆炸,这个过程需要在一个充满惰性气体的空间里进行。扩大其规模很棘手,而且会非常昂贵。

然而,3D金属打印也在摆脱空间的局限性。实现这一目标的方法之一是部署大型机器人,装备各种型号的金属惰性气体焊机。这种焊机的工作方式是将金属丝制成的牺牲电极通过焊枪的喷嘴。金属丝的一端连接电源,另一端连接接地工件。当焊枪靠近工件时,焊枪表面与金属丝之间形成电弧。电弧产生的热量使金属丝和邻近的金属熔合在一起。在此过程中,焊枪将氩气等惰性气体吹过焊缝进行保护。

要将焊枪变成3D打印机,机器人需要在同一区域连续焊接,形成一层又一层的金属。荷兰3D打印公司mx3d使用这种方法来制造各种金属物品。现在问世的有一辆铝制的轻型自行车和一座12米长的不锈钢人行桥。

洛杉矶Relativity Space公司正在使用大型连续焊接机器人来制造太空火箭的部件。每个机器人的手臂上都有一根铝合金线,连接到末端的打印喷嘴。打印喷嘴使用高温等离子电弧熔化金属丝,并在电弧周围吹入惰性保护气体,将金属丝分层沉积。

Relativity Space公司表示,3D打印的火箭比传统的火箭制造速度更快,零部件更少。这家公司期望第一批火箭将被用来发射卫星,但它希望最终使用其生产系统Stargate在火星表面打印出一枚火箭。谈到3D打印的能力,似乎连太空都不是极限。

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文章来源:网易科技


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