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大型3D打印的應用領域、現狀和頂級大尺寸3D打印機

時間:2023-03-30 11:15 來源:南極熊 作者:admin 閱讀:
     導讀:大型3D打印涉及多種技術、多種材料,已在許多領域進行了應用。事實上,"大"的定義是相對的,沒有固定的標準,一般來說房屋、船只和大型家具都屬于大型物品。隨著制造商、藝術家和企業選擇3D打印以滿足他們的大型產品需求,大型3D打印已經逐漸成為市場的主流。研發者一步步突破3D打印機的尺寸,突破技術界限,打印更多和更大的產品。那么大型3D打印有哪些應用領域?大型3D打印機又有什么?



產品的尺寸往往取決于技術和材料,而且要在精度和尺寸間找尋平衡點,這使得選擇合適的3D打印機成為成功的關鍵因素。軟件在創建大型產品方面也發揮著重要作用,因為打印大型對象的最佳方式通常是分段打印并組裝。大型3D打印產品包括但不僅限于以下物品:
●展示品、道具和標牌
●房屋和建筑元素
●工業及金屬零件
●家具和車輛

展示品、道具和標牌


△荷蘭 Naturalis 生物多樣性中心擁有自己的 3D 打印實驗室,并使用兩臺 Builder Extreme 1500 Pro 3D 打印機制作了霸王龍的復制品

●沒有霸王龍的恐龍博物館當然不能算是真正的博物館!日本恐龍博物館基于實際霸王龍化石的3D掃描模型進行了3D打印,這個長12米、高5米的復制品是使用兩臺以 PLA 塑料絲為材料的 Builder Extreme 大型 3D 打印機打印的大型部件

●博物館館長、電影布景和道具設計師、游樂園、會議和世博會展示制造商等也選擇大幅面3D打印機以加快生產速度,除了速度和成本優勢外,計算機輔助設計 (CAD) 軟件也起到了很大的作用,不再需要任何人為雕塑或二次創作。此外,還可以使用大量不同種類的材料,從超輕泡沫到極其耐用的碳纖維填充尼龍。


△藝術家將石膏覆蓋在為 2020 年迪拜世博會重建的 17 英尺高的米開朗基羅大衛的3D打印復制品上

●這個17英尺高的3D打印米開朗基羅的大衛,在2020年迪拜世博會上展出,以促進佛羅倫薩的旅游業。一臺足夠大的聚合物3D打印機不可能以超精細的細節制作一件復制品,因此它被分成14個可打印的部分,然后手工組裝,大理石外觀是人工手繪的。3D打印的大衛內部是一個格子網狀結構,有助于將其重量保持在僅550公斤作用,且有一定的強度,能夠正常打包和運輸。


△德國的 Styles Werbetechnik 使用 Tractus3D 大型 FDM 打印機以比傳統方法更快的速度制作發光的標牌字母

●德國標牌制作公司Styles Werbetechnik選擇大型3D打印技術,制造了戶外標牌。該公司不僅希望加快生產速度,還希望在內部進行字母制作,不再依賴海外生產商的標準字母設計。該公司表示,使用聚合物 FDM 打印為制造輪廓字母提供了無限的設計可能性。例如,用于發光標牌的字母深度在傳統方法中被限制為最小 60 毫米,但在 3D 打印中可以減少到 30 毫米。由于過程中不需要看管3D打印機,它們還可以在晚上和周末運行,加快了生產時間。


△史密森尼博物館 3D 打印了 120 尊真人大小的 STEM 領域女性領袖雕像

2022年位于華盛頓特區的史密森尼學會設立了一個紀念女科學家的展覽,其中包括120 個真人大小的 3D 打印雕像。它被稱為“IfThenSheCan – The Exhibit”,是有史以來規模最大的女性雕像系列,這一系列的每個雕像都是使用 FDM 技術打印的。

房屋和建筑元素


△來自 Icon 的 3D 打印可持續房屋

談到大型3D打印項目當然少不了房屋項目。雖然很少有建筑物只是 3D 打印的(通常需要或結合結構支撐,例如鋼筋加固或傳統的木結構結構),但由于3D打印技術具有速度快、節省勞動力和結構耐用的優勢,該技術可以服務于家庭和酒店。 全球建筑3D打印市場預計在未來五年內將增長近 20%。

●下圖的兩層樓建筑由建筑設計和工程公司 Hannah 和 Cive 以及提供3D打印機的Peri 3D Construction共同完成。這座 4,000 平方英尺的房子已經賣給了一位匿名競標者,總共需要兩年時間才能完工。Peri 的 Cobod Bod2 龍門打印機是 3D 打印建筑界響當當的打印機,用于將專用混凝土混合物擠出,制作樓梯間和其他功能結構,在這個項目中總共打印了330 個小時。


△美國第一座完全 3D 打印的兩層樓房屋位于休斯頓

●除了建造建筑物外,3D 打印機還廣泛用于建筑元素,包括用于修復的外墻和歷史特色,以及室內設計,包括墻壁、顯示器和房間隔板。甚至還有 3D 打印地板、3D 打印橋梁和 3D 打印人造珊瑚礁。類混凝土材料并不是建筑中的唯一選擇,聚合物也發揮了作用。Branch Technology 專注于使用機械臂聚合物擠出機進行大型 3D 打印,創造從雕塑到太空棲息地的一切。其名為BranchClad的創新建筑面板系統為建筑立面開辟了新機遇。只需看看安裝在美國太空和火箭中心新太空營地操作一側的月球表面(下圖)。這些立面使用月球數字掃描創建,對月球表面表現出驚人的保真度。月球圖案的正模是 3D 打印出來的,然后涂上灰泥材料。


△Branch Technology 的新型 3D 打印月球墻安裝在美國太空和火箭中心新太空營操作的一側

工業及金屬零件


△Relativity Space 的 Stargate 金屬 3D 打印機

●火箭制造商 Relativity Space 聲稱其 3D 打印火箭 Terran 1 是有史以來最大的單一3D打印結構,它高 35.2 米,直徑 2.3 米。該公司的下一代火箭 Terran R 也同樣大。兩者都是使用公司的 Stargate 3D 打印機在專有金屬上進行 3D 打印,使用機械臂定向能量沉積技術。 Relativity Space 表示,火箭承受發射壓力的能力是一個巨大的勝利,證明了其金屬 3D 打印方法的結構完整性。


△荷蘭女王馬克西瑪正式啟用MX3D金屬3D打印橋梁。

●由 Joris Laarman 實驗室設計的跨越阿姆斯特丹運河的金屬橋由MX3D使用機械臂電弧增材制造技術打印而成。這座 12 米長的不銹鋼“智能橋”包括一個嵌入式傳感器網絡,可幫助阿姆斯特丹研究人員研究物聯網系統在建筑環境中的作用。該結構采用創成式設計和拓撲優化技術開發,重量十分輕。MX3D橋的也展示了金屬 3D打印在藝術和雕塑中的應用。

●下面是藝術家 Mariagrazia Abbaldo 和 Paolo Albertelli 在意大利皇家花園都靈安裝的另一件 MX3D 打印作品。這座重 880 公斤的雕塑被稱為“鯨魚通道”,展示了從地面經過的鯨魚的鰭。此項目期間制作的所有模型都是 3D 打印的。


△“鯨魚通行證”由 Mariagrazia Abbaldo 和 Paolo Albertelli 設計,由 MX3D 3D 打印

●大型金屬 3d 打印可以用于許多工業領域,海洋、石油和天然氣以及重型建筑設備行業的公司能夠更快地生產大型零件,而且通常是在現場生產。例如,下面的船用螺旋槳使用 WAAM 技術進行 3D 打印以產生近凈形狀,然后將其加工成更嚴格的公差。在這種情況下,WAAM 取代了鍛造,并且可以使用更少的原材料在更接近需要的地方完成。


△這種船用螺旋槳是 WAAM 技術工業應用的首批示例之一

●3D 打印金屬還可以減輕零件的重量,因為 3D 打印可以產生鍛造或鑄造無法實現的形狀。根據打印機制造商 SLM Solutions 的說法,飛機起落架部件(下圖)的尺寸為 455 x 295 x 805 毫米,是世界上第一個激光粉末床融合 3D 打印部件。該部件不僅比傳統鍛造部件輕 15%,而且該技術還縮短了周轉時間。由于該部件是將載荷從輪子轉移到飛機結構的系統的一部分,因此它由鈦制成以提高強度。材料的選擇賦予零件強大的機械性能,同時無需涂層即可耐腐蝕,使用四激光 SLM 800 3D 打印機打印的。“增材制造通過快速提供用于測試的零件,有助于節省鑒定和認證階段的時間。SLM Solutions 全球服務和解決方案執行副總裁 Gerhard Bierleutgeb 說:“我們能夠在幾天內生產出主要配件,而使用鍛造工藝則需要幾個月。”


△私人飛機的 3D 打印前起落架部件

●3D打印用于鑄造金屬零件的大型模具是大型3D打印的一個重要應用。對于必須鑄造的金屬工業零件,模具制作步驟既費力又費時。使用砂型3D打印機,制造商可以直接3D打印沙子鑄件和模具,而無需全尺寸模型。Voxlejet 的 VX4000是世界上最大的砂型 3D 打印機,它使用粘合劑噴射技術不僅可以生產巨大的模具,而且可以在一次打印過程中生產出數千個模具。


△Voxlejet 的 VX4000 打印機(來源:Voxeljet)

家具和車輛


△使用 WASP 3D 打印機進行一體化制造的椅子。

●室內設計師也逐步選擇大幅面3D打印,以實現復雜設計和獨特材料的使用。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屬。岡比亞的這張兒童大小的課桌(下圖)是 3D 打印解決實際需求的一個例子。輕便耐用,這種設計可以用回收塑料生產,也解決了塑料垃圾問題。該模型是在The Industry Sweden的 Magnum 3D 打印機上用常用于飲料瓶的 PETG 塑料打印的。


△在岡比亞測試 3D 打印學校家具概念的原型課桌,可能使用回收塑料

●漂亮的 3D 打印椅子和桌子的例子不計其數,包括NYXO Visionary Design(下圖)使用在 Colossus XS 3D 打印機上打印的輕質發泡 PLA 材料制作的可愛咖啡桌系列。


Primavera 雕塑桌系列由總部位于迪拜的建筑和產品設計公司 NYXO Visionary Design 設計,并在 Colossus XS 打印機上使用 ColorFabb PLA 打印(來源:Colossus)

作為迄今為止最大的 3D 打印船和最大的實體 3D 打印物品進入吉尼斯世界紀錄的是下圖展示的3D打印船,長 7.72 米。這艘船由緬因大學先進結構和復合材料中心于 2019 年打印,由塑料和木質纖維素制成,3D 打印僅用了 72 小時,重 2.2 噸。


△緬因大學生產的完全 3D 打印的真實大小的船

●自行車制造商也選擇了3D打印技術,以解決其制造鏈中的焊接問題。單件式3D打印框架不僅可以節省時間,可以實現不受結構接頭限制的新設計自由度。自行車制造商已經生產了鈦、鋼和碳纖維復合材料的模型。下面這款來自 Urwahn 的鋼架電動自行車使用金屬 3D 打印進行批量生產,以實現形式、功能、輕質結構和材料的平衡。該公司表示,特殊的后端彈性懸掛后輪并產生一種新型的乘坐舒適性,而鋼架則將電機和電池集成在一起。


△Urwahn 的 3D 打印鋼架電動自行車

大型打印的設計技巧和軟件


△30 英尺高 3D 打印雕像,該雕像由 365 個單獨的 3D 打印部件組裝而成,每個部件需要 28 小時才能在 55 臺 3D 打印機上打印

一件式 3D 打印通常是理想的選擇,它消除了裝配勞動,加快了生產速度,并且可以提高結構完整性,因為沒有接縫或表面。但是,如果打印對象實在是太大了,您就需要將其分割成多個部分,那么如何將模型拆分為 3D 打印件呢?

●要完成大型 3D 打印,可以直接在 CAD 軟件(例如 Fusion360 或 Solid Works)中分割模型,其優點是可以讓您設計一些裝配和對齊輔助工具,例如釘、凸塊和凹槽、唇緣、或孔和槽;

●如您只是打算將大型物體粘合在一起或使用螺釘(僅適用于更堅固的材料,例如碳纖維填充尼龍),可以將分割操作留給切片器工具,例如 Cura。使用 Cura 的網格工具,分割是快速和自動化的;

●手動分割數字模型時,避免直接穿過細節區域或支撐區域。避免在設計中的最弱點處拆分,即那些比模型其余部分薄得多的區域。


頂級大尺寸3D打印機


GEFERTEC Arc60x WAAM 金屬 3D 打印機(來源:Gefertec)

如果想用3D打印機制造大型塑料件、道具和標牌等部件,可以使用大幅面線材 3D 打印機,它們本質上與桌面線材打印機一致,有些打印機能夠使用工程級耐用材料進行打印。

如果您想比最大的 FDM 打印機(+1,600 x 1,200 x 1,300)更大,則需要機械臂 3D 打印機,即末端安裝有擠出機頭的機械臂。它們可以放置在軌道或高架龍門架上,因此從理論上講,可以打印到可用軌道的大小。最大的 3D 打印機的吉尼斯世界紀錄為緬因大學的龍門式擠壓頭組件,可達到 30,000 x 6,700 x 3,000 毫米。但是,此打印機不出售。機械臂打印機的另一個優點是它們通常以更經濟的顆粒形式使用聚合物進行打印

樹脂 3D 打印通常不能大于 1,000 毫米,但少數例外情況除外,例如 Kings 1700 Pro 和 3D Systems ProX 950,因為打印時間極長。樹脂通常比 FDM 花費更長的時間。


△中型混凝土 3D 打印機在大幅面藝術應用方面表現出色

混凝土3D打印機是一個蓬勃發展的市場,不僅適用于家庭建筑,而且適用于任何類型的混凝土模板、家具、建筑,甚至花盆和雕塑。3D 打印非常大的金屬部件通常是通過一種定向能量沉積 3D 打印技術實現的,例如電弧增材制造 (WAAM)。這些方法使用安裝在機械臂上的 3D 打印頭,具有廣泛的伸展范圍,并且僅受手臂尺寸的限制。

(責任編輯:admin)

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