从大处着眼：4 个令人印象深刻的大规模 3D 打印应用
大规模 3D 打印正逐渐成为制造大型零部件的经济高效且灵活的解决方案。也就是说，由于目前可用的大多数 3D 打印机都是为较小的零件开发的，因此可以打印涡轮叶片和整个飞机机翼等较大零件的 3D 打印技术的前景如何？
今天的文章将探讨目前可用的大型 3D 打印技术，以及展示大型 3D 打印功能的当前应用。
什么是大规模 3D 打印？
作为一种制造技术，3D 打印越来越找到自己的位置。该技术用于多种应用，如剖分轴承、汽车部件、医疗植入物和鞋类。然而，这些应用的共同点是所生产的零件都相对较小。
不可否认，大幅面 3D 打印仍然是一项相当小众的技术。然而，它有可能解决制造商在生产更大部件时面临的许多挑战。
相当大的部件，如飞机机翼，既笨重又笨重，需要更长的安装时间和更大的工具才能生产。这最终会转化为更高的制造成本和更长的交货时间。
3D 打印可以帮助制造商更快、更经济地生产大型零件。由于 3D 打印提供的设计复杂性，此类部件还可以受益于轻量化和增强性能等关键优势。最后，如果大型组件可以在单次打印中打印，而不是先打印然后组装，这还具有减少组装时间的额外好处。
大规模 3D 打印技术
当谈到大规模 3D 打印时，有许多技术可以满足要求。以下是一些您应该了解的商用大型 3D 打印技术。
用于塑料的大幅面 3D 打印
大面积增材制造 (BAAM)
目前可用的最大的 3D 打印技术之一是大面积增材制造 (BAAM)。 BAAM 由橡树岭国家实验室 (ORNL) 与辛辛那提公司合作开发，首次出现在 IMTS 2014 上，用于 3D 打印整辆车。
这台 3D 打印机使用放置在龙门系统上的挤出机，可以使用 ABS、PPS、PC、PLA 和 PEI 等热塑性材料制造高达 6 x 2.4 x 2 m 的零件。
自推出以来，BAAM 已被用于多种应用，从潜艇船体的全尺寸原型到 3D 打印的自动驾驶车辆。
大规模增材制造 (LSAM)
由美国公司 Thermwood 开发的大规模增材制造 (LSAM) 技术是另一种专注于工业生产的技术。
LSAM 3D 打印机于 2016 年首次亮相，其构建范围为 10 x 40 英尺（约 37 平方米），可以水平和垂直打印物体。
LSAM 3D 打印机的独特功能之一是其生产零件的混合方法，结合了增材和减材技术。
它包括一个3D打印龙门架和一个二次修整龙门架——后者实际上是一个五轴CNC路由器。这种组合意味着零件生产的所有步骤都可以在同一台机器上进行，从而加快了制造过程。
LSAM 3D 打印机还采用了由特殊钢合金制成的挤出机螺杆设计。通过这种设计，其打印头可以在高达 450°C 的温度下进行打印，从而可以制造需要高温复合热塑性塑料的大型零件。
Thermwood 的 LSAM 机器已开发用于生产工业工具，例如汽车和航空航天等行业的模具和生产夹具。
BigRep 的大规模3D打印机
BigRep 成立于 2014 年，是大幅面 3D 打印领域的知名品牌，其目标是让大规模 3D 打印尽可能简单且经济实惠。
该公司推出了其首个机器 — BigRep ONE v1 — 同年，该机器拥有 1 立方米的相当大的构建体积，价格约为 40,000 美元。
距离原始 BigRep ONE 3D 五年打印机推出后，BigRep ONE（现在是第三次迭代）仍然是可用的每卷价格最低的机器之一。
BigRep 的 3D 打印机系列填补了小型桌面 3D 之间的市场空白打印机和更大、更昂贵的工业打印机，目标是中小型设计和制造公司。
大型金属3D打印
电子束增材制造 (EBAM)
在金属 3D 打印领域，西亚基在其电子束增材制造 (EBAM) 技术的推动下，提供了一些最大的金属 3D 打印机。例如，EBAM 150 系统具有令人印象深刻的 3708 x 1575 x 1575 毫米构建体积。
EBAM 使用类似于焊接的工艺，其中电子束用于熔化金属丝。这意味着该技术非常适合加工各种可焊接材料，从钛到因科镍合金和不锈钢。
西亚基将其 AM 系统定位为一种更快、更实惠的大型锻件和铸件替代品。该公司获得专利的闭环控制系统能够制造具有增强性能和微观结构的金属零件，适用于军事、海军和航空航天领域。
电弧增材制造 (WAAM)
与 EBAM 类似，电弧增材制造 (WAAM) 也使用线材原料，但在电弧的帮助下熔化材料。 WAAM 可以使用钛、镍、不锈钢、铝和青铜合金等金属合金制造长达 10 m 的零件。
WAAM 可用于生产大型金属零件，如飞机机身的压力容器和面板。除了最终部件生产外，该技术还是涡轮叶片、模具和冲模等特定部件维修和维护操作的理想选择。
大幅面砂 3D 打印
可能最著名的大幅面沙子 3D 打印机制造商是 voxeljet，它从 2002 年开始就活跃在该领域。
2011 年，voxeljet 推出了 VX4000，这是最大的沙子 3D 打印机之一。迄今为止的 3D 打印机，构建体积为 4 x 2 x 1 米。
除了 voxeljet，ExOne 还提供专业级砂打印系统，最大构建体积达到 2.2 x 1.2 x 0.7 米。
Voxeljet 和 ExOne 的 3D 打印机都使用称为粘合剂喷射的工艺，其中液体粘合剂选择性地沉积在一层沙子上，将沙粒连接在一起。
砂 3D 打印对铸造行业特别有益，因为它提供了一种更快、更具成本效益的方式来创建用于金属铸造的大型复杂砂型和型芯。
可以从大规模 3D 打印中受益的 3 个行业
正如我们所见，能够 3D 打印大型零件为公司提供了一系列好处。下面，我们将看看三个不同的行业如何利用大规模 3D 打印来加速生产、加速交付、减少材料浪费并创造传统制造无法实现的新几何形状。
航空航天
对于航空航天行业，3D打印大体上已用于生产中小型零件和模具，帮助制造商节省时间和降低成本。
然而，大幅面3D打印也为该行业提供了一些独特的机会。这样做的好处包括减少较长的交货时间和材料浪费。
通常，使用锻造和机械加工等传统方法生产大型结构零件可能需要长达一年的时间。除了交货时间长之外，传统的减材方法还会产生大量材料浪费——在某些情况下高达 80%。
另一方面，大规模 3D 打印可用于在很短的时间内生产零件并减少材料浪费。更重要的是，该技术可以将多部件组件打印为单个部件——这种技术被称为部件整合。通过这种方法，可以显着减少组装时间。
聚焦：Lockheed Martin 3D 打印航空零件
西亚基的 EBAM 技术是航空航天工业中最常用的大幅面 3D 打印技术之一。将其用于航空航天应用的一个关键原因是它能够比传统制造技术更快地生产高达 6 m 和 1.2 m 的高性能零件。
全球航空航天和国防公司洛克希德马丁公司是最早使用 EBAM 的公司之一，自 2014 年开始使用该技术。凭借这种大幅面 3D 打印能力，该公司能够 3D 打印巨型钛合金圆顶，每个直径 116 厘米，用于其卫星燃料箱。
去年夏天通过了认证，3D 打印圆顶是作为多年开发计划的一部分开发的，该计划旨在制造高压罐以在卫星上携带燃料。卫星燃料箱由一个传统制造的钛圆柱体和两个用作盖子的 3D 打印圆顶组成。这三个部分焊接在一起形成最终的油罐容器。
通过利用 EBAM 沉积所需材料的能力，洛克希德马丁公司能够将材料浪费减少 80%。此外，EBAM 系统的高速沉积速度可达每小时 11 公斤，使制造商能够在三个月而不是两年内交付圆顶——交货时间缩短了 87%。
洛克希德马丁公司认为，这种坦克是朝着改变公司设计和提供空间技术的方式迈出的一步。大幅面 3D 打印在帮助公司朝着这个方向发展方面发挥着关键作用。
聚焦：贝尔直升机使用 3D 打印制造大型叶片工具
虽然洛克希德马丁公司已经在终端部件生产中找到了大规模金属 3D 打印的用例，但聚合物 3D 打印正在改变贝尔的模具生产游戏。
在航空航天工业中，生产模具可能是一个漫长而昂贵的过程。为了克服这些挑战，Bell 转向 Thermwood 的 LSAM 技术来生产用于直升机叶片的大型模具。
模具的关键要求是良好的表面光洁度、严格的公差和承受高压釜处理的能力——这种技术有助于增强将暴露在高压和高温下的复合部件。
LSAM 是此类应用的理想选择，主要有两个原因。首先，它允许用高性能碳增强 PESU 材料制造 6 m 长的工具，该材料可以承受高压和高温。其次，由于 LSAM 是一种混合技术，因此无需第二台机器即可 3D 打印和完成零件——有助于进一步加快生产过程。
这些优势使 Thermwood 能够在短短几天内制造出该工具，而传统工艺则需要几个月的时间。
此外，增材技术使设计内部支撑结构成为可能，使其不接触模具型腔的背面。因此，空气可以在高压釜中的整个成型部件下方自由流动——这有助于更一致地固化部件。
这一成就表明，大规模 3D 打印为大型和技术复杂的航空航天部件开启了新的设计可能性。
施工
虽然建筑行业的 3D 打印仍处于早期采用阶段，但该技术确实为该行业提供了广阔的潜力。
例如，建筑行业 3D 打印的新兴趋势之一是 3D 打印预制模板。
在建筑中，模板是指在其中浇注混凝土并成型的临时模具。模板用于建造从桥梁到地基和建筑物墙壁的任何东西。
通常，模板可以使用木材手工制作。然而，木模板并不是特别耐用，通常会在浇铸 15 到 20 次后开始分解。此外，手动过程不可避免地将可能的形状和几何形状的范围限制在人类可能生产的范围内。
在这种情况下，大规模 3D 打印可以显着简化创建模板的过程，同时为大型模具结构提供更高的复杂性和耐用性。
聚焦：3D 打印的预制模具改变了多层建筑的立面
最近使用 3D 打印模板的一个例子涉及纽约市一栋 42 层住宅和商业建筑的大型改造项目。
Gate Precast 是一家一直致力于该建筑新立面的公司，它发现为该项目制作木制模具将是一项艰巨的任务，可能需要长达 9 个月的时间才能完成。所需的模具很大——其中一些尺寸高达 2.6 x 1.7 x 0.5 m，进一步延长了生产时间。
为了加快这一过程，该公司决定尝试 3D 打印，与橡树岭国家实验室 (ORNL) 合作使用其 BAAM 技术。
多亏了 BAAM，该公司每个模具的打印时间在 8 到 11 小时之间，另外还需要 8 小时的机加工以达到所需的表面光洁度。模具由碳纤维增强 ABS 制成，这是一种常见的热塑性塑料，混合了短切碳纤维以增加强度。
结果是一个坚固的模具在其使用寿命内可以支持多达 200 次混凝土浇筑，而木制模具只能浇筑 15-20 次。
该公司认为，如果没有 3D 打印模具和 BAAM，就不可能在该项目所需的时间范围内创建表格。
在这种情况下，3D 打印为在更短的时间内生产更耐用和更复杂的模具提供了价值。
也就是说，虽然这种创建模板模具的方法有其优势，但 3D 打印不会取代木模板。然而，该项目证明大型零件的 3D 打印为建筑行业提供了一系列好处，为建筑师提供了可行的预制模具制造替代方案。
代工
大幅面 3D 打印越来越成为铸造行业的焦点。铸造业务涉及通过将金属熔化和浇注到特殊形状的模具和型芯中来生产金属铸件。
在金属铸造工艺方面，该技术可以帮助绕过创建模型、型芯和模具的昂贵和耗时的方面。
我们以传统的金属铸造为例。从绘图到生产精确的模具和图案，最后到成品铸件，可能需要数月时间。铸造厂通常还必须将模具储存在库存中，对于较大或很少使用的模具，这可能会很昂贵。
缺乏熟练的模型和模具制造商是铸造厂经常遇到的另一个挑战。
3D 打印可用作金属铸造行业的一种工具，以帮助应对上述挑战。该技术的优势之一在于大大简化了模具制造过程。由于 3D 打印只需要一个设计文件，因此可以省去手动模具制造过程和复杂型芯的组装。
通过这种方式简化生产，铸造厂可以在几天内制作模具和模型，而不是几周和几个月。此外，3D 打印可用于按需生产模具，帮助公司最大限度地减少实物库存，从而减少仓储成本。
聚焦：Teignbridge 制造带有 3D 打印铸造图案的螺旋桨
Teignbridge 专门为拖船、豪华游艇、拖网渔船和渡轮制造定制螺旋桨和船舶推进系统。自40年前成立以来，该公司一直在其产品生产中使用多阶段铸造工艺。
其中一个阶段涉及制作图案，即最终对象的模型。将图案放入沙箱中以创建模具。通常，这是一个劳动密集型且耗时的过程，首先需要从一块木头或聚苯乙烯中铣削出图案。
为了减少创建图案所需的时间，Teignbridge 决定使用 BigRep 的 BigRep ONE 3D 打印机选择大幅面 FDM 3D 打印。
内部拥有带有如此大信封的 3D 打印机使 Teignbridge 能够一次性打印整个塑料图案，并带来减少周期时间和劳动力投入的切实好处。
例如，在使用传统方法制作图案时，熟练的 CNC 操作员最多可花费 20 小时进行铣削、截面组装和后处理。相比之下，3D 打印使 Teignbridge 能够自动化制版过程，将劳动力投入减少 90%。
在金属铸造中，3D打印越来越多地用作生产图案和模具的替代方式。
除了大幅面FDM 3D打印外，公司还拥有砂3D 打印选项。砂型 3D 打印机通过直接创建砂型消除了制模步骤。
虽然砂 3D 打印系统可以大到 4000 x 2000 x 1000 毫米，但它们往往相当昂贵。也就是说，公司开始承认 3D 打印图案和模具的优势，因为它们使铸造过程更快、更灵活且更具成本效益。
大规模 3D 打印的巨大机遇
大幅面 3D 打印目前仍然是一项小众技术。其关键原因之一可能在于许多公司仍然没有意识到总体上增材制造的好处和可能性，更不用说其大幅面了。因此，公司正在努力寻找合适的商业案例。
复杂的是，许多大幅面 3D 系统仍然非常昂贵。因此，想要试验该技术以找到合适的应用程序的公司负担不起。
幸运的是，随着大规模 3D 打印市场的不断增长，这种情况开始发生变化，提供了一些更实惠的选择，例如 BigRep 的 3D 打印机。
最终，打印更大部件的技术有可能扩展到其他市场和应用。汽车可能是其中之一。
汽车制造商可以使用大幅面 3D 打印来制作更大部件的原型，例如使用当前机器难以打印的扰流板和汽车面板。
“任何车辆都由许多小部件组成，这些部件非常适合当今机器的构建范围，”福特汽车公司的哈罗德西尔斯在最近的一次采访中与 AMFG 交谈时说。 “但也有很多更大的组件在今天不太适合。因此，我们非常希望制造商考虑使用具有更大构建范围的其他系统。”
显然，由于缩短交货时间和成本。现在，该行业需要继续推进技术来满足这一需求，使其他行业能够从字面上和比喻上开辟更大的机会。
3D打印