3D打印机床解决大型机器铸件的供应链问题

为了解决大型机器铸件的外包装的运输难题，橡树岭国家实验室的一个合作团队研究出了解决了机床供应链问题的方法。

经过20天的室外固化，工人将倾斜的3D打印的混凝土基座倾斜90度，然后将其运输到ORNL的机器演示设施内。图片来源：橡树岭国家实验室

听政治家和政治迷们讨论如何将“带回制造”向美国已经成为大选年的传统，美国的苹果派。言辞千差万别，但目标通常是一致的：加强我们的工业供应链，创造就业机会并增强国家安全。

同时，在遥远的实验室中，代表公共和私人企业的科学家和工程师正在努力恢复和稳定美国的制造业主导地位。目的不是解决美国供应链问题或游说特定法规，而是要加快发现我们现有的国内机床行业的问题。换句话说，利用我们现在和现在拥有的工具和技术重新获得竞争优势。

该行动的中心位于田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL），这是由美国能源部（DOE）赞助的联邦政府资助的科学技术研发中心。在ORNL绵延起伏的绿色校园外约10英里处，您会发现DOE的制造示范设施，这是一个大型的开放式设施，旨在“迅速展示早期研发制造技术并优化关键流程”。

我最近写了一篇关于通过ORNL推进的计划，该计划旨在提高美国现有CNC机床基地的吞吐量。但是，ORNL制造示范设施的科学家正在努力发展的核心技术是增材制造（AM）。

该出版物和《增材制造杂志》都广泛撰写了有关CNC加工和增材制造如何日趋紧密的文章-最常见的是通过使用3D打印工具来大大缩短交货时间和降低成本，特别是对于小批量制造，高价值零件。但是，橡树岭科学家的最新实验（一个刚刚起步的自我描述的“月球”）的目标远高于3D打印的夹具和固定装置。

它的目标是什么？要3D打印机床本身，或至少是其最大的组成部分基础。

在橡树岭国家实验室的3D打印机床基础模具旁，站在辛辛那提公司的BAAM机内。图片来源：橡树岭国家实验室

在我们了解ORNL团队的工作以及能源部为何可能对3D打印CNC机床感兴趣之前，我们只需要学习一个缩写即可。

ACE代表美国的“最前沿”计划，该计划代表了DOE和DOD的工业基础分析与可持续计划之间的新合作。ACE由一系列项目组成，这些项目是对过去几十年来美国机床能力下降的集体反应，国防部将这种现象视为对国家安全的威胁。下降的原因是美国在机床全球市场中的份额下降（从1998年的23.2％下降到2010年的6.2％）和美国在机床上的进口支出之间的差异（2018年为86亿美元）出口销售（420万美元）。

根据田纳西大学诺克斯维尔分校教授和ORNL联合教员Tony Schmitz的说法，当ACE计划启动时，几个行业合作伙伴-国防部的工业政策办公室，工业基础分析和维持计划，ORNL，先进复合材料制造创新公司和田纳西州诺克斯维尔大学召开会议，探讨了使用Oak Ridge大幅面聚合物印刷功能生产混凝土机床基础模具的想法。

原因很简单：大多数机床都有铸造部件，而满足这些需求的美国铸造基础设施在最近几十年中已大幅下降。施米茨说，例如，在1987年，美国有774个铸铁设施。而近年来，这个数字已下降到不足一半，即330个。在这些剩余的设施中，许多设施没有规模和规模来生产用于大型机床的铸件。结果是大规模转向大型机器铸件的国外来源。

ACE团队认为，重新调配机床基础设施将带来以下几项优势：美国经济和制造业劳动力的增长，国防部需求的支持以及大型铸件生产商与机床OEM之间的供应链和运输距离的缩短。根据Oak Ridge在大幅面聚合物3D打印方面的经验，它认为，混凝土填充的3D打印聚合物模具可以为传统金属铸件提供更好的替代方案。

团队正在制造的机器实际上是一种混合机床-三轴立式CNC加工中心和电弧3D打印机的结合，其工作量使它正好位于典型VMC的中等尺寸范围内。然而，用于机器底座的3D打印模具非常庞大：156英寸x 78英寸x 96英寸，全部使用辛辛那提公司的BAAM系统在Oak Ridge印刷，使用20％碳纤维ABS颗粒熔化并挤出进行沉积在多层中。计算壁厚以承受接下来引入的压力：15,000磅浇筑的混凝土。

在3D打印模具中降低了自定义钢筋结构。在混凝土浇筑开始之前，将传感器固定在钢筋上。图片来源：橡树岭国家实验室

（有关在此处使用“模具”一词的注意事项：在ORNL建造混合机床的工程师决定将3D打印结构保留在原位，这使该组件更多地是壳体而不是模具。但是，他们也表示完全不需要将外壳留在原处，在这种情况下，使用“模具”一词会更合适。）

9月，ORNL将混凝土倒入模具中。将模具放置到外部后，团队降低了预制的钢筋结构，以适应其内部尺寸。这种钢筋结构不仅可以增强强度，而且还可以作为包括温度记录仪和三轴加速度计在内的多个传感单元的临时区域。

ORNL机器演示设施外的混凝土浇筑过程图片来源：橡树岭国家实验室

当混凝土在30分钟内充满空洞时，它在基座中嵌入了多个传感器，可以通过位于机器外部的送丝装置进行访问。工程师计算出模具内部的预期压力为3.8兆帕斯卡时，他们将结构设计为在垂直方向上承受16.4兆帕斯卡的屈服强度-印刷品的层方向代表了设计的最低强度。

在混凝土浇筑开始之前，将加速度计连接到钢筋结构上。图片来源：橡树岭国家实验室

浇完后，随着固化的进行，设备仍在外面。传感器跟踪到内部温度升至150°F（该温度不是由田纳西州夏季炎热引起的，而是随着混凝土开始固化而产生的放热反应）。霉菌在接下来的20天里一直在外面。

当混凝土完全固化后，将整个单元翻转90度并在制造示范设施内运输。下一组测试将利用与混凝土基座一起嵌入的加速度计。

工程师对机器工作台所在的区域进行了冲击测试，以便在安装控制器之前测量结构动力学。稍后，当机器完成运转时，这些固有频率，模态刚度值和阻尼比将影响机器的性能，而嵌入式传感器将有助于监视机器的振动并告知整体速度和进给选择。但是下一步（即将推出）将是安装焊炬（将在线弧AM工艺中使用）和铣削主轴。

当所有这些都完成后，并且当系统与CNC集成在一起时，月球落地了。

ORNL的员工在机床的混凝土基座上执行抽头测试。图片来源：橡树岭国家实验室

但是，已经确定了传统机床基座与3D打印/混凝土机床基座之间的至少一个鲜明对比。混凝土的成本约为每立方码100美元，或每磅2.5美分。Schmitz说，虽然铸铁的成本始终是取决于零件尺寸，复杂性和质量的浮动比例，但从亚洲运往美国的铸件的典型成本在每磅75美分至2.50美元之间。 3D打印模具材料的成本为每磅6美元，具有重复使用和回收该材料的能力，仍然可以使用3D打印模具和混凝土节省大量成本。这些考虑因素都是ACE团队为该项目设想的总体收益的一部分。

Schmitz说：“我们试图在通常与IMTS保持一致的制造示范设施中进行一次登月计划。” “它的作用是真正延伸了与行业并肩工作的研究人员的思维和想象力，以了解我们是否能够超越被视为界限的范围。这只是这类事情的一个例子。”

混合3D打印机和VMC处于最新阶段。接下来，将添加用于电弧AM工艺的主轴和焊炬。图片来源：橡树岭国家实验室

ORNL制造系统研究小组的组长Lonnie Love博士说，这些月球计划看似不可能的性质使该小组比其他方面更能推动工作。他说：“压力真是太棒了。您知道，对于这个项目，我们已经在很短的时间内开发出了新的材料，新的流程，新的控制措施。最终结果不是我们解决了所有问题。但这加快了我们对我们需要了解的实际问题的识别。”