CI公司和橡樹嶺國家實驗室聯(lián)合推出升級版BAAM系統(tǒng)，可用于多材料3D打印

2021年5月15日，南極熊獲悉，橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的長期合作伙伴——辛辛那提公司（CI），一家機床和3D打印技術(shù)的開發(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使用其升級版的大型增材制造（BAAM）系統(tǒng)，證明了僅使用回收的復(fù)合材料進行大尺寸部件3D打印是可行的。在過去的幾年里，CI一直與ORNL合作，不斷開發(fā)BAAM，最新的改進推出了一個新的擠出機設(shè)計，可以實現(xiàn)雙材料進給。

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

△大尺寸的BAAM 3D打印機。照片來自CI公司

多材料3D打印的優(yōu)勢

為示范項目選用的部件原型是一個混凝土澆注工具，用于生產(chǎn)紐約高層建筑的商業(yè)窗板。這個模具的3D打印版本重約181公斤，長度超過3.3米?？偟拇蛴r間為7個小時，部件使用的兩種復(fù)合材料是可全回收的CF/ABS和標準型CF/ABS塑料與ABS合成泡沫塑料。通過使用多材料設(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，進行局部加固，并通過多種顏色的方式實現(xiàn)更多的審美自由。

ORNL的材料科學(xué)家Vidya Kishore補充說："研究表明，通過在一個結(jié)構(gòu)中使用多種材料，可以實現(xiàn)新的機械反應(yīng)和多功能性。這包括具有量身定制的機械性能的輕質(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181公斤左右。照片來自CI公司

用BAAM進行大部件生產(chǎn)

這次項目成功的關(guān)鍵在于BAAM系統(tǒng)的大型部件生產(chǎn)功能。這款3D打印機是與ORNL聯(lián)合開發(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，BAAM現(xiàn)在配備有一個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擠出機就能夠同時實現(xiàn)兩種不同材料的打印。

Riestenberg解釋說："在打印過程中，通過在擠出機的進料口上端來回滑動兩個材料噴嘴，可以在特定的時間內(nèi)快速切換送入擠出機的材料來源。這款系統(tǒng)還包括機器框架外的材料混合器，可以在運行中混合特定數(shù)量的不同材料和填料，以獲得特定的定制材料等級"。

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

△正在進行3D打印的3.3米模具。照片來自CI公司

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

在其他領(lǐng)域，例如國防方面，美國ASTRO公司最近被選中參與協(xié)調(diào)美國陸軍的一項新舉措，主要是重點開發(fā)用于生產(chǎn)地面車輛的超大型金屬3D打印機。該系統(tǒng)作為無接頭車體項目的一部分，將被用于3D打印坦克和悍馬車的單件裝甲車體（底盤）。

在國內(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)”項目，為運-20、殲-15等國產(chǎn)大飛機和新型戰(zhàn)斗機提供了關(guān)鍵受力大型部件，實現(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，使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)、實現(xiàn)裝機應(yīng)用的國家。同時，這項技術(shù)填補了我國該技術(shù)領(lǐng)域的空白，打破了西方發(fā)達國家的長期封鎖，成為我國金屬3D打印史上的重要里程碑。

△王華明院士

南極熊認為，開展大型構(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，在王華明院士等科研人員的努力下，我國的激光3D打印技術(shù)也將實現(xiàn)更高水平的發(fā)展。