隨著3D列印技術的商業化,人們也在進行不斷創新,其應用的材料和3D列印尺寸不斷擴大,列印的速度也更快,能夠造船、造橋、造房子、甚至於造火箭。

即便是製造一艘玻璃纖維的現代小船,也是一項漫長而繁瑣的工作。工人需要先製造出一個模具,並在模具內部製作樹脂和玻璃纖維層。待結構成型後再進一步打磨完成。造這樣一艘船可能需要幾個月的時間。不過,美國緬因大學的研究人員目前只花了72個小時就造出一艘8公尺長的巡邏艇。他們的訣竅是巨大的3D印表機。

自從20世紀90年代3D印表機商業化以來,通常被工廠用來製造模型、噴氣發動機組件和牙套等小物件。現在,新一代的超大印表機即將問世,它們能夠製造出比以前更大的物體,並以更快的速度列印出來。

3D列印巡邏艇是美國陸軍專案的一部分。美國緬因大學的團隊與位於田納西州的橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)進行合作,後者幫助開發列印流程,而位於伊利諾斯州的Ingersoll機床公司則製造出3D印表機。緬因大學認為,對於造船這一緬因州常見的行業而言,大型3D印表機將大幅削減製造新船的成本和時間。

規模很重要

一般來說,3D印表機能列印出的最大物體是由印表機本身大小決定的,但市面上大多數3D印表機並不比家用冰箱大多少。多年來,工程師們想出了各種方法來擴大規模,比如把列印裝置安裝在外部支架上。但結果往往是設備行動緩慢且列印不精確,製造出的東西需要大量繁瑣的人工再加工。

美國緬因大學開發的印表機克服了規模問題,其將3D印表機的噴嘴懸掛起來,其中噴出的熔融熱塑性樹脂,含有碳纖維。在電腦的控制下,噴嘴水平移動,一層一層地向上構建所需對象。每一層完成後,噴嘴稍微升高,在其上沉積另一層,直到物體被列印完成。

緬因大學的印表機能夠以每小時70公斤的速度擠壓材料,目前可以製造30公尺長,7公尺寬,3公尺高的東西,而且可以透過建造一個更大的龍門吊來增加製造物體的尺寸。配置噴嘴的機械臂也可以安裝自動銑削頭等加工設備,從而對列印出的物體表面進行精細打磨。

圖示:美國緬因大學的3D列印船

緬因大學還正在試圖改變合成材料的性質,使其生產過程更加環保。專案負責人之一的哈比卜‧達格(Habib Dagher)表示,他們的目標是用一種含有50%木製品的材料來完成3D列印,這將產生一種強度和重量與鋁相當的複合材料。隨著進一步的研究,專案小組希望以每小時230公斤的速度列印材料。研究人員最近還使用纖維素纖維和一種由玉公尺製成的樹脂來列印用於建造船隻屋頂的模具。為了使生產過程更加環保,這個模具可以回收,材料可以得到再次利用。

只需按下「列印」

橡樹嶺能源效率主管克雷格·布魯(Craig Blue)表示,製作模具和生產工具將是大尺寸3D列印技術的一項重要工作。模具製造之所以昂貴有兩個方面的原因。首先製造模具需要專業技能,而且生產的產品往往是一次性或者是小批量生產,所以沒有規模經濟效益。然而,對於3D印表機來說,製造一件或多件物品的成本大致相同。

3D列印還有其他優勢。例如,承包商使用橡樹嶺國家實驗室的系統來列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製成,只能維持三到四次澆築,所以建築工人們需要很多這類模具。但是布魯表示,3D列印的模具由碳纖維增強塑料組成,能夠承受至少200次的澆築。

橡樹嶺國家實驗室也在研究直接列印混凝土結構的方法。建造大型3D列印平台的可行性表明,列印摩天大樓和其他大型建築最好不要一次性完成,而是逐步完成較小部分再進行組裝。在工廠控制條件下列印預製混凝土構件,然後現場組裝,更適合複雜的建築結構。這也是中國清華大學的徐偉國和同事採取的方法。他們用一對機械手臂擠壓混合了聚乙烯纖維的混凝土,列印出預製構件,然後組裝成橫跨上海一個工業園區池塘的26公尺人行橋。

這座人行橋是根據建於公元600年左右的趙州橋建造的。複製橋的列印時間為450個小時,與緬因大學列印出船的時間標準大致相當。但無論是與趙州橋的10年建造時間相比,還是與現代建築工地的建設速度相比,都顯得非常快。研究人員估計,3D列印橋樑生產成本大約是傳統混凝土澆築橋樑的其三分之二。

其他形式的3D列印也變得越來越大、越來越快。美國伊利諾斯州西北大學的查德‧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列印」(HARP)的技術。他們的原型機可以列印出四公尺高,橫截面接近一平方公尺的東西,主要是透過把固化物體從一個淺的液體聚合物池中拉起實現的。

這種3D印表機擴展了現有的一種3D列印方法。在這種方法中,設備首先將液體聚合物裝在帶有透明底座的容器中,並將要列印物體的紫外線圖像投射到基座上層。接著印表機觸發的化學反應會在基座正上方固化相應的一層聚合物,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。當工具被抬起時,它將列印的第一層從池中抬起,以允許從下面添加後續層。

HARP技術的創新之處在於有一層油膜流過透明基座。研究人員說,這種油就像「液體鐵氟龍」,可以防止聚合物層黏在基座上,還可以消除固化過程中產生的熱量。結果是3D印表機可以運行得比以前快得多。米爾金說,它可以在幾小時內列印出成人大小的物體。使用這種方法的傳統3D印表機則需要幾天時間。

HARP技術可以大規模列印各種材料,包括數百種軟硬不同的聚合物。它還可以印刷含有碳化矽等材料的樹脂,從而加工成耐磨耐熱陶瓷。由所有這些材料製成的零件可能用於從汽車、飛機到建築物等各種產品。米爾金與人合作創辦了一家名為Azul 3D的公司,將這一過程商業化,預計第一台HARP印表機將在18個月內上市。

列印金屬

然而,3D列印面臨的最困難任務是列印大型金屬物體。其主要方法是用雷射或電子束熔化金屬粉末並逐層構造。為了防止金屬粉末氧化、被空氣中的雜質汙染,甚至於爆炸,這個過程需要在一個充滿惰性氣體的空間裡進行。擴大其規模很棘手,而且會非常昂貴。

然而,3D金屬列印也在擺脫空間的侷限性。實現這一目標的方法之一是部署大型機器人,裝備各種型號的金屬惰性氣體焊機。這種焊機的工作方式是將金屬絲製成的犧牲電極通過焊槍的噴嘴。金屬絲的一端連接電源,另一端連接接地工件。當焊槍靠近工件時,焊槍表面與金屬絲之間形成電弧。電弧產生的熱量使金屬絲和鄰近的金屬熔合在一起。在此過程中,焊槍將氬氣等惰性氣體吹過焊縫進行保護。

要將焊槍變成3D印表機,機器人需要在同一區域連續銲接,形成一層又一層的金屬。荷蘭3D列印公司mx3d使用這種方法來製造各種金屬物品。現在問世的有一輛鋁製的輕型自行車和一座12公尺長的不鏽鋼人行橋。

洛杉磯Relativity Space公司正在使用大型連續銲接機器人來製造太空火箭的零件。每個機器人的手臂上都有一根鋁合金線,連接到末端的列印噴嘴。列印噴嘴使用高溫等離子電弧熔化金屬絲,並在電弧周圍吹入惰性保護氣體,將金屬絲分層沉積。

Relativity Space公司表示,3D列印的火箭比傳統的火箭製造速度更快,零零件更少。這家公司期望第一批火箭將被用來發射衛星,但它希望最終使用其生產系統Stargate在火星表面列印出一枚火箭。談到3D列印的能力,似乎連太空都不是極限。