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　　3D列印機(jī)大型化：英國(guó)花72小時(shí)制出8米長(zhǎng)炮艇

　　國(guó)際金屬加工網(wǎng)

　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

　　網(wǎng)易科技訊 11月22日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，隨著3D列印技術(shù)的商業(yè)化，人們也在展開(kāi)不斷創(chuàng)新，其應(yīng)用的金屬材料和3D列印體積不斷擴(kuò)大，列印的速度也更快，能紡織、布萊雷、造房子、甚至于造推進(jìn)器。

　　庫(kù)爾：Relativity Space正在采用大型連續(xù)焊接機(jī)器人制造太空推進(jìn)器的零件

即便是制造兩艘鋼制的現(xiàn)代小船，也是幾項(xiàng)漫長(zhǎng)而繁雜的工作。工人須要先制制出一個(gè)鑄件，并在鑄件內(nèi)部制做聚丙烯和鋼制層。待結(jié)構(gòu)成型后再進(jìn)一步雕琢順利完成。造這樣兩艘船可能須要幾個(gè)月的天數(shù)。不過(guò)，英國(guó)懷俄明大學(xué)的科學(xué)研究相關(guān)人員目前只花了72個(gè)小時(shí)就制出兩艘8米長(zhǎng)的炮艇。他們的訣竅是巨大的3D列印機(jī)。

　　自從20世紀(jì)90年代3D列印機(jī)商業(yè)化以來(lái)，通常被工廠用來(lái)制造模型、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組件和圈圈等小物件?，F(xiàn)在，新一代的超大列印機(jī)即將問(wèn)世，它們能制制出與以前更大的物體，并以更快的速度列印出來(lái)。

3D列印炮艇是英國(guó)陸軍項(xiàng)目的一部分。英國(guó)懷俄明大學(xué)的團(tuán)隊(duì)與位于田納西州的松樹(shù)嶺北歐國(guó)家生物醫(yī)學(xué)(Oak Ridge National Laboratory)展開(kāi)合作，后者幫助開(kāi)發(fā)列印流程，而位于得克薩斯州的Ingersoll機(jī)床公司則制制出3D列印機(jī)。懷俄明大學(xué)認(rèn)為，對(duì)于紡織這一懷俄明州常見(jiàn)的行業(yè)而言，大型3D列印機(jī)將大幅削減制造系遇的生產(chǎn)成本和天數(shù)。

　　體量很重要

　　一般來(lái)說(shuō)，3D列印機(jī)能列印出的最大物體是由列印機(jī)本身大小決定的，但市面上大多數(shù)3D列印機(jī)并不比家用冰箱大多少。多年來(lái)，工程師們想出了各種方法來(lái)擴(kuò)大體量，比如把列印裝置加裝在外部支架上。但結(jié)果常常是設(shè)備行動(dòng)緩慢且列印不精確，制制出的東西須要大量繁雜的人工再加工。

　　英國(guó)懷俄明大學(xué)開(kāi)發(fā)的列印機(jī)克服了體量問(wèn)題，其將3D列印機(jī)的燃燒室懸掛起來(lái)，其中噴出的熔融熱塑性聚丙烯，含有鋁合金。在計(jì)算機(jī)的控制下，燃燒室水平移動(dòng)，幾層幾層地向上構(gòu)建所需對(duì)象。每幾層順利完成后，燃燒室稍微升高，在其上沉積另幾層，直到物體被列印順利完成。

懷俄明大學(xué)的列印機(jī)能以每小時(shí)70千克的速度抬升材料，目前能制造30米長(zhǎng)，7米寬，3米高的東西，而且能通過(guò)修建一個(gè)更大的龍門(mén)吊來(lái)增加制造物體的體積。配置燃燒室的機(jī)械臂也能加裝自動(dòng)銑床頭等加工設(shè)備，從而對(duì)列印出的物體表面展開(kāi)精細(xì)雕琢。

　　庫(kù)爾：英國(guó)懷俄明大學(xué)的3D列印船

懷俄明大學(xué)還正在試圖改變合成金屬材料的性質(zhì)，使其制造過(guò)程更加節(jié)能環(huán)保。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一的穆薩·貝特（Habib Dagher）則表示，他們的目標(biāo)是用一類含有50%木制品的金屬材料來(lái)順利完成3D列印，這將產(chǎn)生一類強(qiáng)度和重量與鋁十分的復(fù)合金屬材料。隨著進(jìn)一步的科學(xué)研究，項(xiàng)目小組希望以每小時(shí)230千克的速度列印金屬材料?？茖W(xué)研究相關(guān)人員最近還采用水溶性素水溶性和一類由玉米做成的聚丙烯來(lái)列印用于修建船只屋頂?shù)蔫T件。為了使制造過(guò)程更加環(huán)保，這個(gè)鑄件能回收，金屬材料能得到再次利用。

　　只需挪動(dòng)“列印”

　　松樹(shù)嶺能源效率主管亞歷克斯?莫斯(Craig Blue)則表示，制做鑄件和制造工具將是大體積3D列印技術(shù)的幾項(xiàng)重要工作。鑄件制造之所以昂貴有兩個(gè)方面的原因。首先制造鑄件須要專業(yè)知識(shí)，而且制造的產(chǎn)品常常是紙制或者是小批量制造，所以沒(méi)有體量經(jīng)濟(jì)效益。然而，對(duì)于3d列印機(jī)來(lái)說(shuō)，制造一件或多托盤(pán)的生產(chǎn)成本大致相同。

3D列印還有其它優(yōu)勢(shì)。例如，承包商采用松樹(shù)嶺北歐國(guó)家生物醫(yī)學(xué)的系統(tǒng)來(lái)列印鋼筋鑄件的特殊形狀鑄件。通常，這種鑄件是由熟練木匠用木頭做成，只能維持三到四次筑成，所以建筑物工人們須要很多這類鑄件。但是莫斯則表示，3D列印的鑄件由鋁合金鋼制組成，能夠承受至少200次的筑成。

　　松樹(shù)嶺北歐國(guó)家生物醫(yī)學(xué)也在科學(xué)研究直接列印鋼筋結(jié)構(gòu)的方法。修建大型3D列印平臺(tái)的可行性表明，列印摩天大樓和其它大型建筑物最好不要紙制順利完成，而是逐步順利完成較小部分再展開(kāi)裝配。在工廠控制條件下列印預(yù)制鋼筋構(gòu)件，然后現(xiàn)場(chǎng)裝配，更適合復(fù)雜的建筑物結(jié)構(gòu)。這也是中國(guó)清華大學(xué)的徐偉國(guó)和同事采取的方法。他們用一對(duì)機(jī)械手臂抬升混合了聚乙烯水溶性的鋼筋，列印出預(yù)制，然后裝配成橫跨上海一個(gè)工業(yè)園區(qū)池塘的26米人行橋。

這座人行橋是根據(jù)建于公元600年左右的大佛修建的。復(fù)制橋的列印天數(shù)為450個(gè)小時(shí)，與懷俄明大學(xué)列印出船的天數(shù)標(biāo)準(zhǔn)大致十分。但無(wú)論是與大佛的10年修建天數(shù)較之，還是與現(xiàn)代建筑物工地的建設(shè)速度較之，都顯得非?？臁？茖W(xué)研究相關(guān)人員估計(jì)，3D列印公路橋制造生產(chǎn)成本大約是傳統(tǒng)鋼筋筑成公路橋的其三分之二。

　　其它形式的3D列印也變得越來(lái)越大、越來(lái)越快。英國(guó)得克薩斯州西北大學(xué)的查德·米爾金（Chad Mirkin）和他的同事們提出了一類他們稱之為“高速大體積3D列印”（HARP）的技術(shù)。他們的原型機(jī)能列印出四米高，橫截面接近一平方米的東西，主要是通過(guò)把固化物體從一個(gè)淺的液體聚合物池中拉起實(shí)現(xiàn)的。

這種3D列印機(jī)擴(kuò)展了現(xiàn)有的一類3D列印方法。在這種方法中，設(shè)備首先將液體聚合物裝在帶有透明底座的容器中，并將要列印物體的紫外線圖像投射到基座上層。接著列印機(jī)觸發(fā)的化學(xué)反應(yīng)會(huì)在基座正上方固化相應(yīng)的幾層聚合物，使其凝固成投射光線的圖像。第幾層附著在從上往下放入液體的工具上。當(dāng)工具被抬起時(shí)，它將列印的第幾層從池中抬起，以允許從下面添加后續(xù)層。

　　HARP技術(shù)的創(chuàng)新之處在于有幾層油膜流過(guò)透明基座?？茖W(xué)研究相關(guān)人員說(shuō)，這種油就像“液體特氟隆”，能防止聚合物層粘在基座上，還能消除固化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。結(jié)果是3D列印機(jī)能運(yùn)行得比以前快得多。米爾金說(shuō)，它能在幾小時(shí)內(nèi)列印出成人大小的物體。采用這種方法的傳統(tǒng)3d列印機(jī)則須要幾天天數(shù)。

HARP技術(shù)能大體量列印各種金屬材料，包括數(shù)百種軟硬不同的聚合物。它還能印刷含有碳化硅等金屬材料的聚丙烯，從而加工成耐磨耐熱陶瓷。由所有這些金屬材料做成的部件可能用于從汽車、飛機(jī)到建筑物物等各種產(chǎn)品。米爾金與人合作創(chuàng)辦了一家名為Azul 3D的公司，將這一過(guò)程商業(yè)化，預(yù)計(jì)第一臺(tái)HARP列印機(jī)將在18個(gè)月內(nèi)上市。

　　列印金屬

　　然而，3D列印面臨的最困難任務(wù)是列印大型金屬物體。其主要方法是用激光或電子束熔化金屬粉末并逐層構(gòu)造。為了防止金屬粉末氧化、被空氣中的雜質(zhì)污染，甚至于爆炸，這個(gè)過(guò)程須要在一個(gè)充滿惰性氣體的空間里展開(kāi)。擴(kuò)大其體量很棘手，而且會(huì)非常昂貴。

然而，3D金屬列印也在擺脫空間的局限性。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是部署大型機(jī)器人，裝備各種型號(hào)的金屬惰性氣體焊機(jī)。這種焊機(jī)的工作方式是將金屬絲做成的犧牲電極通過(guò)焊的燃燒室。金屬絲的一端連接電源，另一端連接接地工件。當(dāng)焊靠近工件時(shí)，焊表面與金屬絲之間形成電弧。電弧產(chǎn)生的熱量使金屬絲和鄰近的金屬熔合在一起。在此過(guò)程中，焊將氬氣等惰性氣體吹過(guò)焊縫展開(kāi)保護(hù)。

　　要將焊變成3D列印機(jī)，機(jī)器人須要在同一區(qū)域連續(xù)焊接，形成幾層又幾層的金屬。荷蘭3D列印公司mx3d采用這種方法來(lái)制造各種金屬物品。現(xiàn)在問(wèn)世的有一輛鋁制的輕型自行車和一座12米長(zhǎng)的不銹鋼人行橋。

　　洛杉磯Relativity Space公司正在采用大型連續(xù)焊接機(jī)器人來(lái)制造太空推進(jìn)器的部件。每個(gè)機(jī)器人的手臂上都有一根鋁合金線，連接到末端的列印燃燒室。列印燃燒室采用高溫等離子電弧熔化金屬絲，并在電弧周圍吹入惰性保護(hù)氣體，將金屬絲分層沉積。

Relativity Space公司則表示，3D列印的推進(jìn)器比傳統(tǒng)的推進(jìn)器制造速度更快，零部件更少。這家公司期望第一批推進(jìn)器將被用來(lái)發(fā)射衛(wèi)星，但它希望最終采用其制造系統(tǒng)Stargate在火星表面列印出一枚推進(jìn)器。談到3D列印的能力，似乎連太空都不是極限。（辰辰）

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