【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動(dòng)態(tài)】美國(guó)的政客們爭(zhēng)論如何將制造業(yè)“帶回美國(guó)”，已成為大選年的一項(xiàng)傳統(tǒng)了。雖然他們的言辭千差萬別，但目標(biāo)通常是一致的:加強(qiáng)工業(yè)供應(yīng)鏈、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)......
 

 

　　在遙遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室里，代表公共和私營(yíng)企業(yè)的科學(xué)家和工程師們正在努力恢復(fù)和穩(wěn)定當(dāng)?shù)刂圃鞓I(yè)的生機(jī)。其目的是為了加快發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)貦C(jī)床行業(yè)普遍存在的問題。換句話說，就是利用他們現(xiàn)有的工具和技術(shù)，重新獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
 

　　這項(xiàng)業(yè)務(wù)的核心位于田納西州橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)，該實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)能源部(DOE)贊助的科學(xué)技術(shù)研究和發(fā)展中心。在ORNL綠色校園外大約10英里處，你會(huì)發(fā)現(xiàn)能源部的制造演示設(shè)施，這是一個(gè)大型的、開放使用的設(shè)施，旨在“快速演示早期研發(fā)制造技術(shù)和優(yōu)化關(guān)鍵流程”。
 

　　本文的作者Brent Donaldson近寫了一篇關(guān)于ORNL正在推進(jìn)的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在提高美國(guó)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)能力。而ORNL制造示范工廠的科學(xué)家們正在努力推進(jìn)的核心技術(shù)，恰好就是增材制造(AM)。
 

　　很多出版物和雜志已經(jīng)寫了大量關(guān)于數(shù)控加工和添加劑制造是如何走近人們視野的文章。通常使用了3D打印工具，可以大大縮減交貨的時(shí)間和成本，尤其是低批量，高價(jià)值零件的制造。近，橡樹嶺大學(xué)的科學(xué)家們進(jìn)行了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)一一種自稱“登月”的太空飛船剛剛起飛——其目標(biāo)遠(yuǎn)高于3d打印的夾具和裝置。
 

　　它的目標(biāo)是什么?3D打印機(jī)床本身--或者至少是它大的部件--底座。
 

　　在我們了解ORNL團(tuán)隊(duì)正在做什么，以及為什么能源部可能對(duì)3D打印數(shù)控機(jī)床感興趣之前，我們需要再學(xué)習(xí)一個(gè)縮寫詞:ACE。
 

　　ACE意味著美國(guó)的尖端項(xiàng)目，代表了美國(guó)能源部和美國(guó)國(guó)防部工業(yè)基礎(chǔ)分析和維持計(jì)劃之間的一項(xiàng)新合作。ACE由一系列項(xiàng)目組成，作為對(duì)過去幾十年美國(guó)機(jī)床能力下降的集體回應(yīng)。美國(guó)在機(jī)床市場(chǎng)的份額不斷下降(從1998年的23.2%的高點(diǎn)降至2010年的6.2%)，以及美國(guó)在機(jī)床上的進(jìn)口支出(2018年86億美元)和出口銷售(420萬美元)之間的差異，都可以體現(xiàn)出這一態(tài)勢(shì)。
 

 

　　田納西大學(xué)諾克斯維爾分校教授Tony Schmitz表示，當(dāng)ACE項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，幾個(gè)行業(yè)合作伙伴一國(guó)防部工業(yè)政策辦公室、工業(yè)基礎(chǔ)分析和可持續(xù)性項(xiàng)目、ORNL、先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新研究所和田納西諾克斯維爾大學(xué)共同召開會(huì)議，探討如何利用橡樹嶺的大幅面聚合物印刷能力，為混凝土機(jī)床廠生產(chǎn)模具。
 

　　原因很簡(jiǎn)單:大多數(shù)機(jī)床都有鑄造部件，而美國(guó)用于支持這些需求的鑄造基礎(chǔ)設(shè)施在近幾十年里急劇下降。Schmitz說，以1987年為例，美國(guó)有774家鑄鐵工廠。而這幾年，這一數(shù)字已經(jīng)下降到不到一半，只有330家。在這些尚存的工廠中，許多工廠的規(guī)模都不足以為大型機(jī)床生產(chǎn)鑄件。帶來直接的影響，就是大型機(jī)械鑄件普遍轉(zhuǎn)向國(guó)外采購(gòu)。
 

　　ACE團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，重新定位機(jī)床基地生產(chǎn)，將提升美國(guó)的經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)勞動(dòng)力，縮短供應(yīng)鏈和大型鑄造生產(chǎn)商與機(jī)床OEM之間的距離。根據(jù)橡樹嶺在大幅面聚合物3D打印方面的經(jīng)驗(yàn)，他們認(rèn)為混凝土填充的3D印刷聚合物模具，可以為傳統(tǒng)的金屬鑄件提供一種高性能的替代品。
 

　　該團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)的機(jī)器實(shí)際上是一種混合機(jī)床，結(jié)合三軸立式數(shù)控加工中心和wire arc 3D打印機(jī)的工作量，使其正好處于中等規(guī)模的典型vmc范圍內(nèi)。然而，用于該設(shè)備底座的3D打印模具非常龐大:156英寸×78英寸×96英寸，都是在橡樹嶺與辛辛那提公司(Cincinnati Inc.)的BAAM系統(tǒng)一起打印出來的，使用20%碳纖維ABS顆粒熔化并擠壓后多層沉積。而墻體厚度的計(jì)算，主要是為了承受接下來引入的壓力:1.5萬磅澆注混凝土。
 

　　今年9月，ORNL向模具中注入了混凝土。一旦模具被放置在外面，該團(tuán)隊(duì)就降低鋼筋結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)是為適應(yīng)其內(nèi)部尺寸而專門預(yù)制的。這種鋼筋結(jié)構(gòu)不僅可以增強(qiáng)強(qiáng)度，還是幾個(gè)傳感單元的分段區(qū)，這其中包括溫度記錄儀和三軸加速度計(jì)。在30分鐘的時(shí)間里，混凝土填滿了空腔，它將幾個(gè)傳感器嵌入到底座，這些傳感器可以通過設(shè)備外部的電線接入。雖然工程師們計(jì)算出模具內(nèi)的預(yù)期壓力為3.8兆帕斯卡，但他們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在垂直方向上承受16.4兆帕斯卡的屈服強(qiáng)度，這是印刷層的方向，代表了設(shè)計(jì)中的低強(qiáng)度。
 

　　澆注完成后，當(dāng)固化進(jìn)行時(shí)，該裝置留在外面。傳感器跟蹤內(nèi)部溫度，上升至150°F ，這個(gè)溫度不是由田納西州夏季炎熱所引起的,而是混凝土開始固化時(shí)的放熱反應(yīng)。當(dāng)混凝土完全固化后，整個(gè)裝置翻轉(zhuǎn)90度，并運(yùn)輸?shù)街圃焓痉对O(shè)施內(nèi)。下一組測(cè)試將利用預(yù)埋在混凝土底座中的加速度計(jì)。
 

　　為了在控制器安裝之前測(cè)量結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，工程師們?cè)跈C(jī)器工作臺(tái)將要放置的區(qū)域進(jìn)行了沖擊測(cè)試。當(dāng)設(shè)備完成以后，這些固有頻率、模態(tài)剛度值和阻尼比將影響機(jī)器的性能，而嵌入式傳感器將幫助監(jiān)測(cè)其振動(dòng)，并通知整個(gè)速度和進(jìn)給方式的選擇。但接下來的步驟，將是安裝焊槍(這將用于絲弧AM工藝)和銑削主軸。
 

　　當(dāng)所有這些工作都完成后，系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)集成，登月飛船就會(huì)著陸。但是，在傳統(tǒng)的機(jī)床基地和3d打印/混凝土機(jī)床基地之間，已經(jīng)形成了一個(gè)鮮明的對(duì)比。混凝土的價(jià)格約為每立方碼100美元，或每磅2.5美分。Schmitz說，鑄鐵的成本一直是浮動(dòng)的，主要取決于零件的尺寸、復(fù)雜性和質(zhì)量，從亞洲運(yùn)輸?shù)矫绹?guó)的鑄件的成本通常在每磅75美分到2.50美元之間。即使考慮到3D打印模具材料的成本是每磅6美元，使用3d打印模具和混凝土材料的再利用和回收能力，仍然可以節(jié)省大量的成本。上述這些因素，都是ACE團(tuán)隊(duì)為該項(xiàng)目設(shè)想整體利益的一部分。
 

 

　　Schmitz說：“我們?cè)噲D在制造示范設(shè)施內(nèi)進(jìn)行月球發(fā)射，通常與IMTS保持一致。它真正拓寬了研究人員的頭腦和想象力，他們與工業(yè)界并肩工作，看看我們是否能夠突破那些人們公認(rèn)的界限。”
 

　　ORNL制造系統(tǒng)研究小組組長(zhǎng)Lonnie Love博士說，這些看似不可能的“登月”項(xiàng)目，推動(dòng)了該小組的進(jìn)一步發(fā)展。壓力可想而知，對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們已經(jīng)在很短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出了新材料、新工藝和新的控制方法。但終，我們并沒有解決所有的問題，不過，它讓我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，哪些才是我們需要真正了解的“問題”。
 

　　(原標(biāo)題： Inside Oak Ridge’s 3D-Printed Machine Tool Moonshot )