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大型3D打印的应用领域、现状

国际金属加工网 2023年04月04日

南极熊导读:大型3D打印涉及多种技术、多种材料,已在许多领域进行了应用。事实上,"大"的定义是相对的,没有固定的标准,一般来说房屋、船只和大型家具都属于大型物品。随着制造商、艺术家和企业选择3D打印以满足他们的大型产品需求,大型3D打印已经逐渐成为市场的主流。研发者一步步突破3D打印机的尺寸,突破技术界限,打印更多和更大的产品。那么大型3D打印有哪些应用领域?大型3D打印机又有什么?

产品的尺寸往往取决于技术和材料,而且要在精度和尺寸间找寻平衡点,这使得选择合适的3D打印机成为成功的关键因素。软件在创建大型产品方面也发挥着重要作用,因为打印大型对象的最佳方式通常是分段打印并组装。大型3D打印产品包括但不仅限于以下物品:
●展示品、道具和标牌
●房屋和建筑元素
●工业及金属零件
●家具和车辆

展示品、道具和标牌

△荷兰 Naturalis 生物多样性中心拥有自己的 3D 打印实验室,

并使用两台 Builder Extreme 1500 Pro 3D 打印机制作了霸王龙的复制品

●没有霸王龙的恐龙博物馆当然不能算是真正的博物馆!日本恐龙博物馆基于实际霸王龙化石的3D扫描模型进行了3D打印,这个长12米、高5米的复制品是使用两台以 PLA 塑料丝为材料的 Builder Extreme 大型 3D 打印机打印的大型部件。

●博物馆馆长、电影布景和道具设计师、游乐园、会议和世博会展示制造商等也选择大幅面3D打印机以加快生产速度,除了速度和成本优势外,计算机辅助设计 (CAD) 软件也起到了很大的作用,不再需要任何人为雕塑或二次创作。此外,还可以使用大量不同种类的材料,从超轻泡沫到极其耐用的碳纤维填充尼龙。

△艺术家将石膏覆盖在为 2020 年迪拜世博会重建的 17 英尺高的米开朗基罗大卫的3D打印复制品上

●这个17英尺高的3D打印米开朗基罗的大卫,在2020年迪拜世博会上展出,以促进佛罗伦萨的旅游业。一台足够大的聚合物3D打印机不可能以超精细的细节制作一件复制品,因此它被分成14个可打印的部分,然后手工组装,大理石外观是人工手绘的。3D打印的大卫内部是一个格子网状结构,有助于将其重量保持在仅550公斤作用,且有一定的强度,能够正常打包和运输。

△德国的 Styles Werbetechnik 使用 Tractus3D 大型 FDM 打印机以比传统方法更快的速度制作发光的标牌字母

●德国标牌制作公司Styles Werbetechnik选择大型3D打印技术,制造了户外标牌。该公司不仅希望加快生产速度,还希望在内部进行字母制作,不再依赖海外生产商的标准字母设计。该公司表示,使用聚合物 FDM 打印为制造轮廓字母提供了无限的设计可能性。例如,用于发光标牌的字母深度在传统方法中被限制为最小 60 毫米,但在 3D 打印中可以减少到 30 毫米。由于过程中不需要看管3D打印机,它们还可以在晚上和周末运行,加快了生产时间。

△史密森尼博物馆 3D 打印了 120 尊真人大小的 STEM 领域女性领袖雕像

2022年位于华盛顿特区的史密森尼学会设立了一个纪念女科学家的展览,其中包括120 个真人大小的 3D 打印雕像。它被称为“IfThenSheCan – The Exhibit”,是有史以来规模最大的女性雕像系列,这一系列的每个雕像都是使用 FDM 技术打印的。

房屋和建筑元素

△来自 Icon 的 3D 打印可持续房屋

谈到大型3D打印项目当然少不了房屋项目。虽然很少有建筑物只是 3D 打印的(通常需要或结合结构支撑,例如钢筋加固或传统的木结构结构),但由于3D打印技术具有速度快、节省劳动力和结构耐用的优势,该技术可以服务于家庭和酒店。全球建筑3D打印市场预计在未来五年内将增长近 20%。

●下图的两层楼建筑由建筑设计和工程公司 Hannah 和 Cive 以及提供3D打印机的Peri 3D Construction共同完成。这座 4,000 平方英尺的房子已经卖给了一位匿名竞标者,总共需要两年时间才能完工。Peri 的 Cobod Bod2 龙门打印机是 3D 打印建筑界响当当的打印机,用于将专用混凝土混合物挤出,制作楼梯间和其他功能结构,在这个项目中总共打印了330 个小时。

△美国第一座完全 3D 打印的两层楼房屋位于休斯顿

●除了建造建筑物外,3D 打印机还广泛用于建筑元素,包括用于修复的外墙和历史特色,以及室内设计,包括墙壁、显示器和房间隔板。甚至还有 3D 打印地板、3D 打印桥梁和 3D 打印人造珊瑚礁。类混凝土材料并不是建筑中的唯一选择,聚合物也发挥了作用。Branch Technology 专注于使用机械臂聚合物挤出机进行大型 3D 打印,创造从雕塑到太空栖息地的一切。其名为BranchClad的创新建筑面板系统为建筑立面开辟了新机遇。只需看看安装在美国太空和火箭中心新太空营地操作一侧的月球表面(下图)。这些立面使用月球数字扫描创建,对月球表面表现出惊人的保真度。月球图案的正模是 3D 打印出来的,然后涂上灰泥材料。

△Branch Technology 的新型 3D 打印月球墙安装在美国太空和火箭中心新太空营操作的一侧

工业及金属零件

△Relativity Space 的 Stargate 金属 3D 打印机

●火箭制造商 Relativity Space 声称其 3D 打印火箭 Terran 1 是有史以来最大的单一3D打印结构,它高 35.2 米,直径 2.3 米。该公司的下一代火箭 Terran R 也同样大。两者都是使用公司的 Stargate 3D 打印机在专有金属上进行 3D 打印,使用机械臂定向能量沉积技术。Relativity Space 表示,火箭承受发射压力的能力是一个巨大的胜利,证明了其金属 3D 打印方法的结构完整性。

△荷兰女王马克西玛正式启用MX3D金属3D打印桥梁

●由 Joris Laarman 实验室设计的跨越阿姆斯特丹运河的金属桥由MX3D使用机械臂电弧增材制造技术打印而成。这座 12 米长的不锈钢“智能桥”包括一个嵌入式传感器网络,可帮助阿姆斯特丹研究人员研究物联网系统在建筑环境中的作用。该结构采用创成式设计和拓扑优化技术开发,重量十分轻。MX3D桥的也展示了金属 3D打印在艺术和雕塑中的应用。

●下面是艺术家 Mariagrazia Abbaldo 和 Paolo Albertelli 在意大利皇家花园都灵安装的另一件 MX3D 打印作品。这座重 880 公斤的雕塑被称为“鲸鱼通道”,展示了从地面经过的鲸鱼的鳍。此项目期间制作的所有模型都是 3D 打印的。

△“鲸鱼通行证”由 Mariagrazia Abbaldo 和 Paolo Albertelli 设计,由 MX3D 3D 打印

●大型金属 3d 打印可以用于许多工业领域,海洋石油和天然气以及重型建筑设备行业的公司能够更快地生产大型零件,而且通常是在现场生产。例如,下面的船用螺旋桨使用 WAAM 技术进行 3D 打印以产生近净形状,然后将其加工成更严格的公差。在这种情况下,WAAM 取代了锻造,并且可以使用更少的原材料在更接近需要的地方完成。

△这种船用螺旋桨是 WAAM 技术工业应用的首批示例之一

●3D 打印金属还可以减轻零件的重量,因为 3D 打印可以产生锻造或铸造无法实现的形状。根据打印机制造商 SLM Solutions 的说法,飞机起落架部件(下图)的尺寸为 455 x 295 x 805 毫米,是世界上第一个激光粉末床融合 3D 打印部件。该部件不仅比传统锻造部件轻 15%,而且该技术还缩短了周转时间。由于该部件是将载荷从轮子转移到飞机结构的系统的一部分,因此它由钛制成以提高强度。材料的选择赋予零件强大的机械性能,同时无需涂层即可耐腐蚀,使用四激光 SLM 800 3D 打印机打印的。“增材制造通过快速提供用于测试的零件,有助于节省鉴定和认证阶段的时间。SLM Solutions 全球服务和解决方案执行副总裁 Gerhard Bierleutgeb 说:“我们能够在几天内生产出主要配件,而使用锻造工艺则需要几个月。”

△私人飞机的 3D 打印前起落架部件

●3D打印用于铸造金属零件的大型模具是大型3D打印的一个重要应用。对于必须铸造的金属工业零件,模具制作步骤既费力又费时。使用砂型3D打印机,制造商可以直接3D打印沙子铸件和模具,而无需全尺寸模型。Voxlejet 的 VX4000是世界上最大的砂型 3D 打印机,它使用粘合剂喷射技术不仅可以生产巨大的模具,而且可以在一次打印过程中生产出数千个模具。

△Voxlejet 的 VX4000 打印机(来源:Voxeljet)

家具和车辆

△使用 WASP 3D 打印机进行一体化制造的椅子

●室内设计师也逐步选择大幅面3D打印,以实现复杂设计和独特材料的使用。聚合物,尤其是再生塑料,是 3D 打印家具最常用的材料,但也可以使用混凝土和金属。冈比亚的这张儿童大小的课桌(下图)是 3D 打印解决实际需求的一个例子。轻便耐用,这种设计可以用回收塑料生产,也解决了塑料垃圾问题。该模型是在The Industry Sweden的 Magnum 3D 打印机上用常用于饮料瓶的 PETG 塑料打印的。

△在冈比亚测试 3D 打印学校家具概念的原型课桌,可能使用回收塑料

●漂亮的 3D 打印椅子和桌子的例子不计其数,包括NYXO Visionary Design(下图)使用在 Colossus XS 3D 打印机上打印的轻质发泡 PLA 材料制作的可爱咖啡桌系列。

△Primavera 雕塑桌系列由总部位于迪拜的建筑和产品设计公司 NYXO Visionary Design 设计,并在 Colossus XS 打印机上使用 ColorFabb PLA 打印(来源:Colossus)

作为迄今为止最大的 3D 打印船和最大的实体 3D 打印物品进入吉尼斯世界纪录的是下图展示的3D打印船,长 7.72 米。这艘船由缅因大学先进结构和复合材料中心于 2019 年打印,由塑料和木质纤维素制成,3D 打印仅用了 72 小时,重 2.2 吨。

△缅因大学生产的完全 3D 打印的真实大小的船

●自行车制造商也选择了3D打印技术,以解决其制造链中的焊接问题。单件式3D打印框架不仅可以节省时间,可以实现不受结构接头限制的新设计自由度。自行车制造商已经生产了钛、钢和碳纤维复合材料的模型。下面这款来自 Urwahn 的钢架电动自行车使用金属 3D 打印进行批量生产,以实现形式、功能、轻质结构和材料的平衡。该公司表示,特殊的后端弹性悬挂后轮并产生一种新型的乘坐舒适性,而钢架则将电机和电池集成在一起。

△Urwahn 的 3D 打印钢架电动自行车

大型打印的设计技巧和软件

△30 英尺高 3D 打印雕像,该雕像由 365 个单独的 3D 打印部件组装而成,每个部件需要 28 小时才能在 55 台 3D 打印机上打印

一件式 3D 打印通常是理想的选择,它消除了装配劳动,加快了生产速度,并且可以提高结构完整性,因为没有接缝或表面。但是,如果打印对象实在是太大了,您就需要将其分割成多个部分,那么如何将模型拆分为 3D 打印件呢?

●要完成大型 3D 打印,可以直接在 CAD 软件(例如 Fusion360 或 Solid Works)中分割模型,其优点是可以让您设计一些装配和对齐辅助工具,例如钉、凸块和凹槽、唇缘、或孔和槽;

●如您只是打算将大型物体粘合在一起或使用螺钉(仅适用于更坚固的材料,例如碳纤维填充尼龙),可以将分割操作留给切片器工具,例如 Cura。使用 Cura 的网格工具,分割是快速和自动化的;

●手动分割数字模型时,避免直接穿过细节区域或支撑区域。避免在设计中的最弱点处拆分,即那些比模型其余部分薄得多的区域。

顶级大尺寸3D打印机

△GEFERTEC Arc60x WAAM 金属 3D 打印机(来源:Gefertec)

如果想用3D打印机制造大型塑料件、道具和标牌等部件,可以使用大幅面线材 3D 打印机,它们本质上与桌面线材打印机一致,有些打印机能够使用工程级耐用材料进行打印。

如果您想比最大的 FDM 打印机(+1,600 x 1,200 x 1,300)更大,则需要机械臂 3D 打印机,即末端安装有挤出机头的机械臂。它们可以放置在轨道或高架龙门架上,因此从理论上讲,可以打印到可用轨道的大小。最大的 3D 打印机的吉尼斯世界纪录为缅因大学的龙门式挤压头组件,可达到 30,000 x 6,700 x 3,000 毫米。但是,此打印机不出售。机械臂打印机的另一个优点是它们通常以更经济的颗粒形式使用聚合物进行打印

树脂 3D 打印通常不能大于 1,000 毫米,但少数例外情况除外,例如 Kings 1700 Pro 和 3D Systems ProX 950,因为打印时间极长。树脂通常比 FDM 花费更长的时间。

△中型混凝土 3D 打印机在大幅面艺术应用方面表现出色

混凝土3D打印机是一个蓬勃发展的市场,不仅适用于家庭建筑,而且适用于任何类型的混凝土模板、家具、建筑,甚至花盆和雕塑。3D 打印非常大的金属部件通常是通过一种定向能量沉积 3D 打印技术实现的,例如电弧增材制造 (WAAM)。这些方法使用安装在机械臂上的 3D 打印头,具有广泛的伸展范围,并且仅受手臂尺寸的限制。

(南极熊3D打印 )

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