11月22日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，隨著3D打印技術(shù)的商業(yè)化，人們也在進(jìn)行不斷創(chuàng)新，其應(yīng)用的材料和3D打印尺寸不斷擴(kuò)大，打印的速度也更快，能夠造船、造橋、造房子、甚至于造火箭。
圖示：Relativity Space正在使用大型連續(xù)焊接機(jī)器人制造太空火箭的零件
即便是制造一艘玻璃纖維的現(xiàn)代小船，也是一項(xiàng)漫長(zhǎng)而繁瑣的工作。工人需要先制造出一個(gè)模具，并在模具內(nèi)部制作樹脂和玻璃纖維層。待結(jié)構(gòu)成型后再進(jìn)一步打磨完成。造這樣一艘船可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。不過(guò)，美國(guó)緬因大學(xué)的研究人員目前只花了72個(gè)小時(shí)就造出一艘8米長(zhǎng)的巡邏艇。他們的訣竅是巨大的3D打印機(jī)。
自從20世紀(jì)90年代3D打印機(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)組件和牙套等小物件?，F(xiàn)在，新一代的超大打印機(jī)即將問(wèn)世，它們能夠制造出比以前更大的物體，并以更快的速度打印出來(lái)。
3D打印巡邏艇是美國(guó)陸軍項(xiàng)目的一部分。美國(guó)緬因大學(xué)的團(tuán)隊(duì)與位于田納西州的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)進(jìn)行合作，后者幫助開發(fā)打印流程，而位于伊利諾斯州的Ingersoll機(jī)床公司則制造出3D打印機(jī)。緬因大學(xué)認(rèn)為，對(duì)于造船這一緬因州常見的行業(yè)而言，大型3D打印機(jī)將大幅削減制造新船的成本和時(shí)間。
規(guī)模很重要
一般來(lái)說(shuō)，3D打印機(jī)能打印出的最大物體是由打印機(jī)本身大小決定的，但市面上大多數(shù)3D打印機(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)大規(guī)模，比如把打印裝置安裝在外部支架上。但結(jié)果往往是設(shè)備行動(dòng)緩慢且打印不精確，制造出的東西需要大量繁瑣的人工再加工。
美國(guó)緬因大學(xué)開發(fā)的打印機(jī)克服了規(guī)模問(wèn)題，其將3D打印機(jī)的噴嘴懸掛起來(lái)，其中噴出的熔融熱塑性樹脂，含有碳纖維。在計(jì)算機(jī)的控制下，噴嘴水平移動(dòng)，一層一層地向上構(gòu)建所需對(duì)象。每一層完成后，噴嘴稍微升高，在其上沉積另一層，直到物體被打印完成。
緬因大學(xué)的打印機(jī)能夠以每小時(shí)70公斤的速度擠壓材料，目前可以制造30米長(zhǎng)，7米寬，3米高的東西，而且可以通過(guò)建造一個(gè)更大的龍門吊來(lái)增加制造物體的尺寸。配置噴嘴的機(jī)械臂也可以安裝自動(dòng)銑削頭等加工設(shè)備，從而對(duì)打印出的物體表面進(jìn)行精細(xì)打磨。
圖示：美國(guó)緬因大學(xué)的3D打印船
緬因大學(xué)還正在試圖改變合成材料的性質(zhì)，使其生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一的哈比卜·達(dá)格（Habib Dagher）表示，他們的目標(biāo)是用一種含有50%木制品的材料來(lái)完成3D打印，這將產(chǎn)生一種強(qiáng)度和重量與鋁相當(dāng)?shù)膹?fù)合材料。隨著進(jìn)一步的研究，項(xiàng)目小組希望以每小時(shí)230公斤的速度打印材料。研究人員最近還使用纖維素纖維和一種由玉米制成的樹脂來(lái)打印用于建造船只屋頂?shù)哪＞?。為了使生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保，這個(gè)模具可以回收，材料可以得到再次利用。
只需按下“打印”
橡樹嶺能源效率主管克雷格?布魯(Craig Blue)表示，制作模具和生產(chǎn)工具將是大尺寸3D打印技術(shù)的一項(xiàng)重要工作。模具制造之所以昂貴有兩個(gè)方面的原因。首先制造模具需要專業(yè)技能，而且生產(chǎn)的產(chǎn)品往往是一次性或者是小批量生產(chǎn)，所以沒有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。然而，對(duì)于3d打印機(jī)來(lái)說(shuō)，制造一件或多件物品的成本大致相同。
3D打印還有其他優(yōu)勢(shì)。例如，承包商使用橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)來(lái)打印混凝土鑄件的特殊形狀模具。通常，這種模具是由熟練木匠用木頭制成，只能維持三到四次澆筑，所以建筑工人們需要很多這類模具。但是布魯表示，3D打印的模具由碳纖維增強(qiáng)塑料組成，能夠承受至少200次的澆筑。
橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在研究直接打印混凝土結(jié)構(gòu)的方法。建造大型3D打印平臺(tái)的可行性表明，打印摩天大樓和其他大型建筑最好不要一次性完成，而是逐步完成較小部分再進(jìn)行組裝。在工廠控制條件下打印預(yù)制混凝土構(gòu)件，然后現(xiàn)場(chǎng)組裝，更適合復(fù)雜的建筑結(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)械手臂擠壓混合了聚乙烯纖維的混凝土，打印出預(yù)制構(gòu)件，然后組裝成橫跨上海一個(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年左右的趙州橋建造的。復(fù)制橋的打印時(shí)間為450個(gè)小時(shí)，與緬因大學(xué)打印出船的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)大致相當(dāng)。但無(wú)論是與趙州橋的10年建造時(shí)間相比，還是與現(xiàn)代建筑工地的建設(shè)速度相比，都顯得非?？?。研究人員估計(jì)，3D打印橋梁生產(chǎn)成本大約是傳統(tǒng)混凝土澆筑橋梁的其三分之二。
其他形式的3D打印也變得越來(lái)越大、越來(lái)越快。美國(guó)伊利諾斯州西北大學(xué)的查德·米爾金（Chad Mirkin）和他的同事們提出了一種他們稱之為“高速大尺寸3D打印”（HARP）的技術(shù)。他們的原型機(jī)可以打印出四米高，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打印機(jī)擴(kuò)展了現(xiàn)有的一種3D打印方法。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，并將要打印物體的紫外線圖像投射到基座上層。接著打印機(jī)觸發(fā)的化學(xué)反應(yīng)會(huì)在基座正上方固化相應(yīng)的一層聚合物，使其凝固成投射光線的圖像。第一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)，它將打印的第一層從池中抬起，以允許從下面添加后續(xù)層。
HARP技術(shù)的創(chuàng)新之處在于有一層油膜流過(guò)透明基座。研究人員說(shuō)，這種油就像“液體特氟隆”，可以防止聚合物層粘在基座上，還可以消除固化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。結(jié)果是3D打印機(jī)可以運(yùn)行得比以前快得多。米爾金說(shuō)，它可以在幾小時(shí)內(nèi)打印出成人大小的物體。使用這種方法的傳統(tǒng)3d打印機(jī)則需要幾天時(shí)間。
HARP技術(shù)可以大規(guī)模打印各種材料，包括數(shù)百種軟硬不同的聚合物。它還可以印刷含有碳化硅等材料的樹脂，從而加工成耐磨耐熱陶瓷。由所有這些材料制成的部件可能用于從汽車、飛機(jī)到建筑物等各種產(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打印機(jī)將在18個(gè)月內(nèi)上市。
打印金屬
然而，3D打印面臨的最困難任務(wù)是打印大型金屬物體。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)程需要在一個(gè)充滿惰性氣體的空間里進(jìn)行。擴(kuò)大其規(guī)模很棘手，而且會(huì)非常昂貴。
然而，3D金屬打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制成的犧牲電極通過(guò)焊槍的噴嘴。金屬絲的一端連接電源，另一端連接接地工件。當(dāng)焊槍靠近工件時(shí)，焊槍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，焊槍將氬氣等惰性氣體吹過(guò)焊縫進(jìn)行保護(hù)。
要將焊槍變成3D打印機(jī)，機(jī)器人需要在同一區(qū)域連續(xù)焊接，形成一層又一層的金屬。荷蘭3D打印公司mx3d使用這種方法來(lái)制造各種金屬物品?，F(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公司正在使用大型連續(xù)焊接機(jī)器人來(lái)制造太空火箭的部件。每個(gè)機(jī)器人的手臂上都有一根鋁合金線，連接到末端的打印噴嘴。打印噴嘴使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公司表示，3D打印的火箭比傳統(tǒng)的火箭制造速度更快，零部件更少。這家公司期望第一批火箭將被用來(lái)發(fā)射衛(wèi)星，但它希望最終使用其生產(chǎn)系統(tǒng)Stargate在火星表面打印出一枚火箭。談到3D打印的能力，似乎連太空都不是極限。
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