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国际动态|美陆军投资建造世界最大金属3D打印机,目标尺寸:9 x 6 x 3.6 m
发布时间:2021.07.05    新闻来源:3D打印技术参考   浏览次数:

国际动态|美陆军投资建造世界最大金属3D打印机,目标尺寸:9 x 6 x 3.6 m

今年上半年,美国陆军与该国应用科技研究组织(ASTRO)签订了一份合同,涉及开发一款新的金属3D打印设备,用于坦克和悍马的单件装甲车底盘直接制造。ASTRO声称,这款打印机将能够打印尺寸为30 x 20 x 12 英尺(约9 x 6 x 3.6 m)的单一、无缝战车外部构件,从而缩短交货时间、显着降低制造成本、并实现更轻的车辆设计。该组织首席研究员透露,大规模增材制造有可能改变军用车辆的制造方式,同时使美军减少对过去脆弱的供应链的依赖。


该设备将成为世界上最大的用于地面车辆生产的金属 3D 打印机,其成型尺寸应该足以构建任何特点的地面车辆零件。作为主要承包商, ASTRO将依次验证当前多种技术,因此与Ingersoll Machine Tool(英格索尔机床公司)、Siemens和MELD Manufacturing等分包商展开了进一步合作。


当前,最为常用的金属3D打印工艺是无异于粉末床熔融技术,其使用高能量选择性地固化金属粉末。2019年,美陆军还要求3D Systems开发9激光器1m 1m x 0.6m的大型SLM金属3D打印机,但该工艺必须完全清除构建环境中的氧气和湿气,以防爆炸并确保打印质量。即便如今SLM技术的成型尺寸越来越大,但与美国陆军项目的规模仍然相去甚远。建造一个具有这种建造体积的密闭腔室将极其昂贵,反复填充惰性气体更是非常不切实际。


拟定的大型金属3D打印机的设计效果图 [来源:美国陆军]


美国陆军项目的另一种可能性是采用DED能量沉积或WAAM电弧增材制造技术,其中机器人系统使用焊接工具头逐渐沉积材料。在此类技术的应用方面,火箭制造公司Relativity Space分别拥有若干台可以打印15英尺(4.5m)、20英尺(6m)甚至30英尺(9m)的“Stargate”的3D打印机,可同时打印第一级和第二级火箭以及整流罩。然而,由于该过程涉及高温,零件质量和热复杂性是难以绕过的问题,因此最终未被ASTRO选择。


Relativity Space世界最大金属3D打印机


对于该项目,另有两种工艺值得考虑。一种是澳大利亚SPEE3D公司推出的冷喷涂3D 打印工艺。它采用细小的金属颗粒以超音速喷出,并与基体接触瞬间产生剧烈的塑性变形,接触面积增大,加上撞击速度快、作用时间短,产生的热量来不及散失,温度的升高使粒子和基体部分熔化,形成局部冶金结合,因此可以利用该技术进行大型零件的直接制造,其速度比激光沉积和送丝电子束熔化都要快出很多。


冷喷涂金属3D打印工艺

然而,ASTRO目前选择了MELD Manufacturing的搅拌摩擦焊技术,这是一种无须高能热源、不需气体保护,能以10倍速度成型的金属3D打印技术它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料,再通过轴向的压力使得材料连接在一起。在该过程中,材料并未经历熔化与凝固而一直保持固态,且过程中的挤压又起到“锻造”作用,最终得到的是性能良好的细晶组织。细晶组织具有良好的机械性能和疲劳性能,且能改善材料的延展性,这也是材料提高强度等性能的原因。


虽然与粉末床激光熔融技术相比,该工艺所制造的零件仅是接近最终形状,但其能够可靠且快速地沉积金属。不必经历高温过程,还不需要任何特殊的腔室、惰性气体、高能激光器等,只需要旋转工具头并四处移动,从而最大程度保证了制造过程的稳定可靠。


 Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程


Meld Manufacturing已经成功开发出钛合金、铜合金、不锈钢以及镍基合金等主流材料的3D打印工艺所制造的IN625的疲劳寿命相比原料棒材提高了4倍,并能够以至少10倍于粉末熔融工艺的速度进行材料沉积。而且,该工艺能够制造多金属材料和梯度材料。


对于本文所提到的合作项目,美国陆军要求首先将最终设备的较小版本作为试点项目构建,然后是全尺寸设备。目前,Meld Manufacturing已被美国陆军选为远征技术服务商,使其尽可能靠近战场进行维修和生产战斗车辆部件,同时提高整体效率并降低成本。未来,美国陆军很可能能够自由建造各种一体式车体,从而加快野战的机动灵活性。而在将3D打印用于战地维护方面,美军采用了多种多样的工艺类型,前不久美国防部还授予ExOne粘结剂喷射3D打印移动方舱的制造合同。