美国家实验室研究3D打印生产大型航空航天零件

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位于美国田纳西州的橡树岭国家实验室(ORNL)正将数以千计的3d打印设备安置在学校中，为未来设计者和工程师提供经验和技术。同时，橡树岭国家实验室正在增材制造设备供应商如Arcam公司合作，将增材制造技术扩大至新的金属和更大零件的制造中。

　　增材制造已抓住工业界的想象力，但就在某个零件首次出现在发动机内部时，增材制造技术的可能性才刚刚得以实现。3D打印使新材料和优化设计成为可能，随着研究人员对这些新材料和设计进行试验，制造业变革的潜在规模正在逐步明朗。

　　欧洲宇航防务集团(EADS)创新工厂和EOS是一家在直接金属激光烧结领域的领先者，其已在空客A320飞机上用增材制造的钛零件取代铸钢的机舱铰链支架，将金属优化放置在承重的地方，削减了75%的原材料消耗量，每个安装坐垫片节省了10千克，减少了生产、运行和寿命周期结束中的能源使用和废气排放量。

　　目前面临的挑战是超越当前的材料和设计。为此，位于美国田纳西州的橡树岭国家实验室(ORNL)正将数以千计的3D打印设备安置在学校中，为未来设计者和工程师提供经验和技术。该实验室已帮助当地高中开展首个机器人竞赛—包括建造首个全增材制造的机器人。年初，ORNL已在学校安置了250台设备，实验室计划2014年安置3000台设备，接下来是4000台，最终达到28000台，这样在首个机器人竞赛中的每个高中都有一台设备。

　　寻求超越消费设备，橡树岭国家实验室正在推动增材制造在可打印的材料、部件的复杂性和规模方面的能力。该实验室尚未完成或许是目前最复杂的全增材设计：为海军研究办公室设计的一款具有两只手臂、中等浮力的水下机器人。液压和布线通道、气缸和活塞凸轮驱动关节所有这些都集成在打印的金属手臂内部。没有外部的管道或电线。拉乌称，“我们正在推动增材制造和机器人技术的结合。”

　　同时，橡树岭国家实验室正在增材制造设备供应商如Arcam公司合作，将增材制造技术扩大至新的金属和更大零件的制造中，包括铬镍铁合金718的激光烧结，该材料是一种用于涡轮叶片中的耐高温合金。但一些最令人兴奋的工作涉及到增强型塑料的打印。目前的3D打印聚合物零件强度较低，可用于管道但并非承力部件。该实验室目前已经开发出一种方式，将增强型碳纤维注入原材料中，打印可承力的零件。

　　采用常规方法切削的碳纤维厚度为5~7微米，难以挤入被送入熔融沉积成形(FDM)设备中的0.25英寸直径的热塑性长丝。橡树岭国家实验室已经开发出一种生产直径小于500毫微米纤维的方法。

　　沉积科学和技术小组领导者Chad Duty称，这些纳米纤维被切削得足够小，能够混入FDM原材料中，但却有足够高的长度直径比率，以达到相辅相成的效果。与6000系列铝材料优势相当是可能的。

　　将增强型纤维注入原材料中是实现航空航天大型零件—60~100英尺零件3D打印的关键。橡树岭国家实验室呼吁这种增材制造采用广泛区域合作，并已经与洛克希德·马丁公司和一家设备制造商开发此能力，最初生产低成本磨具，但最终要打印结构，如大型无人机的机翼。

　　拉乌称，采用3D打印的大型零件可能会出现变形，因为有些区域因冷却率不同导致厚度不同，这是增材制造面临的核心技术挑战。将13%切削的碳纤维添加到热塑性颗粒原料，其强度可提高2倍，刚性可提高4倍，并能阻止材料冷却时零件的变形。

　　橡树岭国家实验室的下一步工作是，与设备供应商合作建造一个独立的设备原型，可实现塑料零件打印，把零件加工成最终形状，并对其碳纤维束架构进行重新包裹，以生产大型结构组件。

　　橡树岭国家实验室先进制造项目主任克雷格·布鲁表示，“我们与设备制造商合作，因为OEMs在其整个供应基地中想要这种技术。”

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