CI公司和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合推出升級(jí)版BAAM系統(tǒng)，可用于多材料3D打印

2021年5月15日，南極熊獲悉，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的長(zhǎng)期合作伙伴——辛辛那提公司（CI），一家機(jī)床和3D打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)商，已經(jīng)可以成功3D打印出超大型多材料部件，并且他們認(rèn)為這是迄今為止最大的單體多材料部件之一。

CI公司的合作伙伴通過(guò)使用其升級(jí)版的大型增材制造（BAAM）系統(tǒng)，證明了僅使用回收的復(fù)合材料進(jìn)行大尺寸部件3D打印是可行的。在過(guò)去的幾年里，CI一直與ORNL合作，不斷開(kāi)發(fā)BAAM，最新的改進(jìn)推出了一個(gè)新的擠出機(jī)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)雙材料進(jìn)給。

CI的增材制造產(chǎn)品經(jīng)理AlexRiestenberg解釋說(shuō)："這項(xiàng)特殊研究的目的是展示包括過(guò)渡段在內(nèi)的多材料復(fù)合材料工具的打印，長(zhǎng)度超過(guò)10英尺，并含有可回收材料，同時(shí)在打印時(shí)不需要人工干預(yù)"。

△大尺寸的BAAM 3D打印機(jī)。照片來(lái)自CI公司

多材料3D打印的優(yōu)勢(shì)

為示范項(xiàng)目選用的部件原型是一個(gè)混凝土澆注工具，用于生產(chǎn)紐約高層建筑的商業(yè)窗板。這個(gè)模具的3D打印版本重約181公斤，長(zhǎng)度超過(guò)3.3米?？偟拇蛴r(shí)間為7個(gè)小時(shí)，部件使用的兩種復(fù)合材料是可全回收的CF/ABS和標(biāo)準(zhǔn)型CF/ABS塑料與ABS合成泡沫塑料。通過(guò)使用多材料設(shè)置，這兩家公司發(fā)現(xiàn)他們可以將導(dǎo)電電路納入他們的部件，實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)。兩種材料的使用還允許核心結(jié)構(gòu)輕量化，更容易去除支撐物，進(jìn)行局部加固，并通過(guò)多種顏色的方式實(shí)現(xiàn)更多的審美自由。

ORNL的材料科學(xué)家Vidya Kishore補(bǔ)充說(shuō)："研究表明，通過(guò)在一個(gè)結(jié)構(gòu)中使用多種材料，可以實(shí)現(xiàn)新的機(jī)械反應(yīng)和多功能性。這包括具有量身定制的機(jī)械性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，零件內(nèi)的軟硬部分，以及抗沖擊結(jié)構(gòu)"。

△3D打印的模具重達(dá)181公斤左右。照片來(lái)自CI公司

用BAAM進(jìn)行大部件生產(chǎn)

這次項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于BAAM系統(tǒng)的大型部件生產(chǎn)功能。這款3D打印機(jī)是與ORNL聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，最初用于研究大尺寸的單一材料零件。隨著最新版本的升級(jí)，BAAM現(xiàn)在配備有一個(gè)大型的雙材料熱塑性塑料擠出系統(tǒng)，這使得合作商只用一個(gè)擠出機(jī)就能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種不同材料的打印。

Riestenberg解釋說(shuō)："在打印過(guò)程中，通過(guò)在擠出機(jī)的進(jìn)料口上端來(lái)回滑動(dòng)兩個(gè)材料噴嘴，可以在特定的時(shí)間內(nèi)快速切換送入擠出機(jī)的材料來(lái)源。這款系統(tǒng)還包括機(jī)器框架外的材料混合器，可以在運(yùn)行中混合特定數(shù)量的不同材料和填料，以獲得特定的定制材料等級(jí)"。

通過(guò)將材料進(jìn)給切換機(jī)制與材料混合器相結(jié)合，BAAM用戶(hù)有能力在一次構(gòu)建過(guò)程中使用多種復(fù)合材料組合進(jìn)行打印。據(jù)CI報(bào)道，BAAM的最新迭代據(jù)說(shuō)是唯一具有這種能力的商業(yè)3D打印機(jī)，這與其他多材料打印平臺(tái)有著很大不同。

△正在進(jìn)行3D打印的3.3米模具。照片來(lái)自CI公司

像CI的181公斤級(jí)3D打印鑄造模具這樣的項(xiàng)目的完成，表明了超大型3D打印已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。今年早些時(shí)候，制造系統(tǒng)供應(yīng)商英格索爾機(jī)床與航空公司貝爾展開(kāi)合作，3D打印了一個(gè)22英尺長(zhǎng)的真空修整工具，用于生產(chǎn)直升機(jī)旋翼。這種零件需要520公斤的ABS，并填充20%的切碎的碳纖維，從開(kāi)始到完成打印大約需要75個(gè)小時(shí)。

在其他領(lǐng)域，例如國(guó)防方面，美國(guó)ASTRO公司最近被選中參與協(xié)調(diào)美國(guó)陸軍的一項(xiàng)新舉措，主要是重點(diǎn)開(kāi)發(fā)用于生產(chǎn)地面車(chē)輛的超大型金屬3D打印機(jī)。該系統(tǒng)作為無(wú)接頭車(chē)體項(xiàng)目的一部分，將被用于3D打印坦克和悍馬車(chē)的單件裝甲車(chē)體（底盤(pán)）。

在國(guó)內(nèi)，北航王華明院士在大尺寸構(gòu)件的3D打印領(lǐng)域有著深入研究，他曾主持的“鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光立體成型技術(shù)”項(xiàng)目，為運(yùn)-20、殲-15等國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)和新型戰(zhàn)斗機(jī)提供了關(guān)鍵受力大型部件，實(shí)現(xiàn)了用激光直接制造金屬大型復(fù)雜構(gòu)件的創(chuàng)新突破，使我國(guó)成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)、實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了我國(guó)該技術(shù)領(lǐng)域的空白，打破了西方發(fā)達(dá)國(guó)家的長(zhǎng)期封鎖，成為我國(guó)金屬3D打印史上的重要里程碑。

△王華明院士

南極熊認(rèn)為，開(kāi)展大型構(gòu)件3D打印技術(shù)研究的必要性是毋庸置疑的，這是在國(guó)防、軍事等領(lǐng)域都有著極為廣闊應(yīng)用前景的突破性技術(shù)。相信未來(lái)，在王華明院士等科研人員的努力下，我國(guó)的激光3D打印技術(shù)也將實(shí)現(xiàn)更高水平的發(fā)展。