基特·查普曼参观了美国能源部的一个实验室,那里正在进行大规模的3D打印
在美国田纳西州,一辆谢尔比眼镜蛇停在一栋建筑的二楼。它被漆成蓝色和白色,引擎盖上有鲍勃·邦杜兰特的签名,这位车手在55年前以类似的车型赢得了勒芒24小时GT级别的冠军。这是一辆完全正常运行的经典跑车,尽管2015年它在美国底特律车展上展出时,观众并没有太注意它。没有人意识到它的部件是3d打印的。
眼镜蛇的家是橡树岭国家实验室的制造演示设施(MDF),世界上最先进的3D打印实验室之一。MDF的科学家亚历山大•普洛特科夫斯基(Alexander Plotkowski)说:“我们以前确实打印过汽车。”“问题是它们看起来像3d打印的汽车——看起来粗糙、有层次。”我们在大约六周的时间内完成了整个眼镜蛇,所以它与传统的汽车没有什么区别。我们还没有打印出一个完整的引擎,我们还没到那一步,但我们正在努力。这只是时间问题。”
大的设计
这款车只是MDF化学家、冶金学家和工程师如何重新定义大规模增材制造(即3D打印)的可能性的一个例子。该实验室成立于2012年,是一个用户设施,与世界各地的公司合作开发下一代项目。许多主要合作者来自航空航天工业,如波音公司、洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁曼公司。在这些行业,增量收益的回报如此之高,以至于他们愿意探索尖端技术。
MDF的主车间占据了其一公顷面积的大部分,就像一个大型飞机机库,开放式的地板上摆放着从机床到CT扫描仪和电子显微镜的各种设备,当然,还有3D打印机。这些设备从工作台上的小型设备到两层楼高的大面积增材制造(BAAM)单元,该单元于2017年为美国海军打印了一艘潜水器。尽管BAAM的尺寸巨大,但橡树岭实验室有机会获得更大的东西:该实验室与美国缅因大学合作,该实验室于2019年推出了世界上最大的3D打印机,能够每小时打印约200公斤,创造出30米长、6米宽、3米高的物体。大厅里散落着一些聚合物椅子,提醒着人们实验室没有座位给实习生了,让他们自己创造座位。打印时间取决于零件的复杂程度,从几分钟到几周不等。该实验室最长的指纹之一是一架直升机的单个金属部件,耗时三周。
令人难以置信的设计作品可以创建,使规范和迎接挑战,只有3D打印可以管理。当美国海军研究办公室想为其潜水器设计一个轻量级的水下臂时,标准的机床无法为液压系统制造内置通道。除了满足这一棘手的设计要求外,橡树岭团队还用钛合金打印出了手臂,使其足够轻,可以放在手掌上。普罗特科夫斯基说:“这个部件的内部是空心的。它是空心的,所以即使它是由钛制成的,它也具有中性浮力。”
在一个方面,该团队正在研究使用加法和减法打印来绘制和填充退化部件,例如柴油发动机的裂缝或磨损的涡轮叶片。普罗特科夫斯基解释说,由于每台发动机的结构都是独特的,修复裂缝通常非常昂贵和复杂,因此只需更换发动机,就会产生大量的浪费。“再制造引擎的产业价值数十亿美元。所以能够每次都进行独一无二的修复是一个巨大的进步。“汽车行业也在使用3D打印技术来开发无法通过其他方式制造的零部件。当轮胎制造商米其林想要制造新的全天候轮胎时,其工程师设计了理想的胎面图案,然后使用3D绘图和打印来设计一个可以制造这种轮胎的机床。
在大厅的尽头,离钛制机械臂几米远的地方,是一个巨大的白色盒子,实验室正在盒子里设计核反应堆的组件;最终,整个反应堆可以按需打印。可悲的是,为了商业利益和国家安全,实验室只能说这么多——而且实验室的某些部分甚至更加隐秘。
目前,如果你要建造一座大楼,你需要一台比大楼还大的打印机
房间最大的部分被一个看似空荡荡的空间占据,只有几张桌子和电脑,工作人员站在旁边。头顶上方悬挂着一系列绷紧的电线,中间悬挂着一个黑盒子,有点像体育场里使用的遥控摄像机。这是大型热塑性塑料负责人之一布莱恩·波斯特(Brian Post)的最新项目,他的团队此前设计了世界上第一台3d打印挖掘机。
该团队目前正在研究如何用混凝土等材料打印基础设施大小的组件。波斯特的蜘蛛式设置是一个移动的、电缆驱动的3D打印机系统,可以在世界上任何地方快速移动,并在现场设置——打印任何需要的东西,几乎没有大小限制。波斯特解释说:“目前,如果你要建造一座大楼,你需要一台比大楼还大的打印机。”“问题是,这样做的成本太高,需要一个巨大的龙门架系统和平坦的地形。(相反),我可以设置它,做所有的逆运动学,并确切地知道如何移动它来制作不同的物体,然后我可以打印我想要的东西。现在大多数建筑都是线性的;我们做的东西都是直线的,因为这是建筑材料的形状。这里我们可以画出复曲率。我们可以打印建筑特征,比如复杂的柱子或螺旋楼梯,而成本澳门万博公司并不比建造一堵直墙高。”
一个新兴的3d打印建筑行业已经存在,这是由于劳动力和原材料成本较低,而且可以在不到一天的时间内建造一座房子。虽然已经开创了几种不同的技术,但典型的是使用挤压3d打印-本质上是将原材料喷射到你想要的地方-与混凝土。虽然主要的材料化学挑战,如确保流畅的流动速度,已经得到解决,但大规模印刷很重,打印的部件往往重达数千公斤,运输困难。如果MDF项目成功,交通问题将不复存在,我们可能会生活在自己设计的梦幻般的房子里——从环形迷宫到巨大的雕像——唯一限制结构完整性和我们的想象力。
焊缝分开
虽然实验室的创作令人印象深刻,但MDF的大部分工作都是为了克服与这种大规模创作相关的材料挑战——这可以追溯到材料的化学性质。Plotkowski拥有美国印第安纳州普渡大学材料工程博士学位,目前主要研究方向为材料中的传热和流体力学。“在高速凝固过程中,我们得到的结构令人着迷。3D打印是如此的疯狂和新颖,它会带来很多有趣的问题。”
金属3D打印的历史几乎和塑料挤压一样长,零件要求的性能范围意味着原料的选择和形状一样重要,每种金属都有自己的问题。该设施最近的成就之一是研究高温应用中的铝合金。普洛特科夫斯基解释说:“铝合金在凝固过程中很容易开裂。”即使是铸造大多数铝合金也是相当具有挑战性的。当你焊接这些合金时,它会变得更加困难。而金属增材制造本质上是为了制造一个零件而进行数千次微焊接。”
然而,3D打印的多功能性意味着该团队总是可以考虑可以克服传统缺陷的不同合金。在常规铸造中,金属冷却缓慢,需要热处理或后处理来改善合金的微观组织。普洛特科夫斯基说:“在增材制造中,冷却速度非常快。”“所以我可以利用化学原理来设计一种合金。微观结构看起来有很大的不同,但我们仍然得到了很好的力学性能。”
我们一直在研究用于喷气发动机和燃气轮机的高温镍高温合金
在这种水平上操纵金属结构为创造物体开辟了全新的途径。作为示范,MDF有一小块镍基高温合金。普洛特科夫斯基说:“我们可以操纵这一过程,以实现不同的微观结构,这意味着我可以根据需要,在材料的任何地方添加不同的性能。”
尽管有这样的控制,印刷的本质仍然存在障碍。金属打印可以在数千摄氏度的高温下进行,激光和电子束可以液化基材和原料,这些原料可以分层或通过惰性气体喷射输送。这会产生强烈的温度梯度和热膨胀,每次打印零件时都会产生不同的应力,导致不可接受的变化水平。因此,橡树岭研究小组安装了热成像摄像机,以便拍摄机器内部的热场图像。其目的不仅仅是识别可能发生应力的位置,而是对打印机进行编程,以便实时进行修正,从而实现以前无法实现的微观结构的可再现性。普洛特科夫斯基举例说:“我们一直在研究用于喷气发动机和燃气轮机的高温镍高温合金。”“这种合金很容易开裂,所以我们一直在努力优化工艺,以消除这些缺陷。”我们现在已经做了大约80个,它们将被放入燃气轮机中进行测试。”
该团队还专注于塑料。目前,用于粘合沉积材料的最常见的液体粘合剂是呋喃(C4H4O),它不易溶于水,是一种有毒的废料,会在模具上留下粗糙的痕迹,无法进行精细的铸造。相反,由研究人员Tomonori Saito和Amy Elliot领导的MDF团队一直在开发新型高强度液体粘合剂,这种粘合剂是水溶性的,并且比呋喃具有更清晰的纹理,使团队能够创建复杂的定制模具,然后可以被冲走。这意味着该团队可以用一种比标准3D打印更环保的技术制作更复杂、更细致的作品。该活页夹是与ExOne合作开发的,被列为2019年百大创新之一研发世界杂志。
物质财富
为了克服机器和原料带来的挑战,该团队还开始探索更令人兴奋的潜在材料。在对碳纤维的研究之后,该实验室想知道是否可以将其他材料用于建筑。普洛特科夫斯基说:“我们也研究过生物衍生材料,比如天然纤维素纤维。”“想象一下波多黎各发生了自然灾害,你想打印电线杆。波多黎各盛产竹子,这里的气候非常适合种植竹子。所以我们可以送出一台3D打印机,他们可以在现场(用竹子)制造这些纤维,将其与他们喜欢的任何低成本聚合物按适当比例混合,然后在现场打印他们需要的任何东西。”
这对人道主义的影响可能是巨大的:救灾将只需要一台3D打印机,就可以在灾区大量生产所需的物品,而不是几周时间来协调成箱的救援物资。虽然如此快速的打印并不会制造出一个光滑、完美的零件,但当生命受到威胁时,这样的奢侈品也就不需要了。普洛特科夫斯基说:“我们现在正在做一些研究,试图了解加工过程。”“有些关键表面必须加工到极高的精度,因为这将影响流体动力学、发动机效率或燃烧,而另一些表面则不那么重要。”在橡树岭的其他地方,研究小组正在研究如何将纳米纤维素和木质素等生物衍生材料用于打印原料。
复杂性的成本比过去低了——它更容易了,但它不是免费的
然而,即使是3D打印最狂热的粉丝也承认,它不太可能像科学家们想象的那样,瞬间创造出任何东西《星际迷航》.普洛特科夫斯基说:“我不能做任何我想做的东西,而且不花一分钱。”复杂性的成本比过去低了。它更容易,但它不是免费的,你不能得到你想要的任何东西——尽管我们可以非常接近。真正的问题是,如何让这项技术成熟到行业能够看到这些独特优势的程度。普罗特科夫斯基停顿了一会儿,咧嘴一笑。“而且,当行业真正对一个项目进行投资时,我们很可能会转向下一个项目……”
基特·查普曼是一名生活在英国南安普顿的科学作家
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