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　　3D列印機大型化：英國花72小時制出8米長炮艇

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　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　網易科技訊 11月22日消息，據國外媒體報道，隨著3D列印技術的商業化，人們也在展開不斷創新，其應用的金屬材料和3D列印體積不斷擴大，列印的速度也更快，能紡織、布萊雷、造房子、甚至于造推進器。

　　庫爾：Relativity Space正在采用大型連續焊接機器人制造太空推進器的零件

即便是制造兩艘鋼制的現代小船，也是幾項漫長而繁雜的工作。工人須要先制制出一個鑄件，并在鑄件內部制做聚丙烯和鋼制層。待結構成型后再進一步雕琢順利完成。造這樣兩艘船可能須要幾個月的天數。不過，英國懷俄明大學的科學研究相關人員目前只花了72個小時就制出兩艘8米長的炮艇。他們的訣竅是巨大的3D列印機。

　　自從20世紀90年代3D列印機商業化以來，通常被工廠用來制造模型、噴氣發動機組件和圈圈等小物件。現在，新一代的超大列印機即將問世，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。

3D列印炮艇是英國陸軍項目的一部分。英國懷俄明大學的團隊與位于田納西州的松樹嶺北歐國家生物醫學(Oak Ridge National Laboratory)展開合作，后者幫助開發列印流程，而位于得克薩斯州的Ingersoll機床公司則制制出3D列印機。懷俄明大學認為，對于紡織這一懷俄明州常見的行業而言，大型3D列印機將大幅削減制造系遇的生產成本和天數。

　　體量很重要

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

　　英國懷俄明大學開發的列印機克服了體量問題，其將3D列印機的燃燒室懸掛起來，其中噴出的熔融熱塑性聚丙烯，含有鋁合金。在計算機的控制下，燃燒室水平移動，幾層幾層地向上構建所需對象。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。

懷俄明大學的列印機能以每小時70千克的速度抬升材料，目前能制造30米長，7米寬，3米高的東西，而且能通過修建一個更大的龍門吊來增加制造物體的體積。配置燃燒室的機械臂也能加裝自動銑床頭等加工設備，從而對列印出的物體表面展開精細雕琢。

　　庫爾：英國懷俄明大學的3D列印船

懷俄明大學還正在試圖改變合成金屬材料的性質，使其制造過程更加節能環保。項目負責人之一的穆薩·貝特（Habib Dagher）則表示，他們的目標是用一類含有50%木制品的金屬材料來順利完成3D列印，這將產生一類強度和重量與鋁十分的復合金屬材料。隨著進一步的科學研究，項目小組希望以每小時230千克的速度列印金屬材料。科學研究相關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列印用于修建船只屋頂的鑄件。為了使制造過程更加環保，這個鑄件能回收，金屬材料能得到再次利用。

　　只需挪動“列印”

　　松樹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列印技術的幾項重要工作。鑄件制造之所以昂貴有兩個方面的原因。首先制造鑄件須要專業知識，而且制造的產品常常是紙制或者是小批量制造，所以沒有體量經濟效益。然而，對于3d列印機來說，制造一件或多托盤的生產成本大致相同。

3D列印還有其它優勢。例如，承包商采用松樹嶺北歐國家生物醫學的系統來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。

　　松樹嶺北歐國家生物醫學也在科學研究直接列印鋼筋結構的方法。修建大型3D列印平臺的可行性表明，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裝配。在工廠控制條件下列印預制鋼筋構件，然后現場裝配，更適合復雜的建筑物結構。這也是中國清華大學的徐偉國和同事采取的方法。他們用一對機械手臂抬升混合了聚乙烯水溶性的鋼筋，列印出預制，然后裝配成橫跨上海一個工業園區池塘的26米人行橋。

這座人行橋是根據建于公元600年左右的大佛修建的。復制橋的列印天數為450個小時，與懷俄明大學列印出船的天數標準大致十分。但無論是與大佛的10年修建天數較之，還是與現代建筑物工地的建設速度較之，都顯得非常快。科學研究相關人員估計，3D列印公路橋制造生產成本大約是傳統鋼筋筑成公路橋的其三分之二。

　　其它形式的3D列印也變得越來越大、越來越快。英國得克薩斯州西北大學的查德·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。他們的原型機能列印出四米高，橫截面接近一平方米的東西，主要是通過把固化物體從一個淺的液體聚合物池中拉起實現的。

這種3D列印機擴展了現有的一類3D列印方法。在這種方法中，設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。接著列印機觸發的化學反應會在基座正上方固化相應的幾層聚合物，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。當工具被抬起時，它將列印的第幾層從池中抬起，以允許從下面添加后續層。

　　HARP技術的創新之處在于有幾層油膜流過透明基座。科學研究相關人員說，這種油就像“液體特氟隆”，能防止聚合物層粘在基座上，還能消除固化過程中產生的熱量。結果是3D列印機能運行得比以前快得多。米爾金說，它能在幾小時內列印出成人大小的物體。采用這種方法的傳統3d列印機則須要幾天天數。

HARP技術能大體量列印各種金屬材料，包括數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、飛機到建筑物物等各種產品。米爾金與人合作創辦了一家名為Azul 3D的公司，將這一過程商業化，預計第一臺HARP列印機將在18個月內上市。

　　列印金屬

　　然而，3D列印面臨的最困難任務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造。為了防止金屬粉末氧化、被空氣中的雜質污染，甚至于爆炸，這個過程須要在一個充滿惰性氣體的空間里展開。擴大其體量很棘手，而且會非常昂貴。

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

　　要將焊變成3D列印機，機器人須要在同一區域連續焊接，形成幾層又幾層的金屬。荷蘭3D列印公司mx3d采用這種方法來制造各種金屬物品。現在問世的有一輛鋁制的輕型自行車和一座12米長的不銹鋼人行橋。

　　洛杉磯Relativity Space公司正在采用大型連續焊接機器人來制造太空推進器的部件。每個機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氣體，將金屬絲分層沉積。

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

　　( 文章來源：互聯網 )

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