橡树岭国家实验室使用新的3D打印机打破发展壁垒
[据美国航空周刊2013年11月8日报道]增材制造吸引住了工业界的想象力，但直到第一个喷气发动机内部零件的出现，该技术的可能性才被意识到。随着研究人员使用3D打印试验新材料和优化设计成为可能，制造业潜在的大规模变革逐渐变得清晰。
欧洲宇航防务集团创新工场和欧洲光学学会是直接金属激光烧结的领导者。它们展示了用增材制造的钛零件替代空客A320发动机舱的铸钢铰链支架，可以优化地在有荷载的位置布置金属，削减了75%的原材料,节省10公斤/套件的重量，减少了生产、运作和最终回收过程中的能源和排放。
3D打印的挑战是思考现有材料和设计之外的无限可能。田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL），将成千上万的3D打印机部署于美国的中学，以期赋予未来的设计师和工程师使用该技术的经验。该实验室已帮助当地的高中参与到“首台机器人竞赛”中，建造了第一个增材制造的机器人。从今年开始有250台机器发放，ORNL计划明年发放3000台打印机，然后4000台，最后总计达到28000台，使（全美）每所参与首台机器人竞赛的高中都有一台。橡树岭国家实验室正在对可用的桌面3D打印机进行测试，以评估它们的能力。
展望未来消费的打印机，ORNL推动增材制造在材料、复杂性和规模组件方面的能力。实验室正在进行目前最复杂的增材设计：海军研究办公室的一种双臂水下悬浮机器人。水力学和布线通道，汽缸和活塞驱动的关节摄像头都集成在打印的金属臂里。没有外部管道或电线。
与此同时，橡树岭国家实验室与增材制造设备供应商如Arcam合作，扩大技术到新金属和较大的零件，包括激光烧可用于涡轮叶片的高温合金结铬镍铁合金718。但最激动人心的工作包括增强塑料的打印。目前的3D打印聚合物零件强度低,可用于管道但不能用于承载组件。现在实验室已经开发了一种方法向原材料中注入增强碳纤维,来打印可以承载的零件。
传统碎炭纤维尺度在5-7微米,因太厚难挤到0.25英寸直径的热塑性纤维，再送入熔融沉积成型(FDM)机器。橡树岭国家实验室已经开发出一种新的纤维产品，直径小于500纳米。
这些碎纳米纤维足够小可以混到FDM原料中；同时有足够高的一个长径比可达到增强效果。沉积科学和技术组长Chad Duty说，6000系列铝的增强是可能的。
对航空航天而言，向原料中注入增强纤维的关键是将3D打印扩大到60-100英尺的大小的大型零件。橡树岭国家实验室呼吁扩大增材制造这个广阔领域，实验室一直在与洛克希德•马丁公司和一个设备制造商合作开发，最初目标是生产低成本的工具，最终目的是打印大型无人机机翼结构。
大型的打印零件可能会弯曲变形，因为不同厚度的区域，以不同的速率冷却——这是挑战增材制造的核心技术。向热塑性颗粒原料添加13%体积分数的碎碳纤维，可以提供两倍的强度和刚度的4倍,并防止了零件的冷却翘曲。
作为下一步,橡树岭国家实验室正在与一个设备供应商合作，建立单个机器的原型，可以打印塑料零件，然后机械加工成最终形状，最后包裹到碳纤维丝束以生产大型结构组件。
