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橡树岭3D打印机床的登月计划

发表时间：2026-01-30 08:05:57
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摘要大型机械铸件的广泛外包，导致美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的一个合作团队，开始着手解决机床供应链的问题。那么，从哪里开始呢？3D打印大的铸造组件。

　　【机床商务网栏目科技动态】美国的政客们争论如何将制造业“带回美国”，已成为大选年的一项传统了。虽然他们的言辞千差万别，但目标通常是一致的:加强工业供应链、创造就业机会......

　　在遥远的实验室里，代表公共和私营企业的科学家和工程师们正在努力恢复和稳定当地制造业的生机。其目的是为了加快发现，当地机床行业普遍存在的问题。换句话说，就是利用他们现有的工具和技术，重新获得竞争优势。

　　这项业务的核心位于田纳西州橡树岭国家实验室(ORNL)，该实验室是由美国能源部(DOE)赞助的科学技术研究和发展中心。在ORNL绿色校园外大约10英里处，你会发现能源部的制造演示设施，这是一个大型的、开放使用的设施，旨在“快速演示早期研发制造技术和优化关键流程”。

　　本文的作者Brent Donaldson近写了一篇关于ORNL正在推进的一项计划，旨在提高美国现有数控机床的生产能力。而ORNL制造示范工厂的科学家们正在努力推进的核心技术，恰好就是增材制造(AM)。

　　很多出版物和杂志已经写了大量关于数控加工和添加剂制造是如何走近人们视野的文章。通常使用了3D打印工具，可以大大缩减交货的时间和成本，尤其是低批量，高价值零件的制造。近，橡树岭大学的科学家们进行了一个全新的实验一一种自称“登月”的太空飞船刚刚起飞——其目标远高于3d打印的夹具和装置。

　　它的目标是什么?3D打印机床本身--或者至少是它大的部件--底座。

　　在我们了解ORNL团队正在做什么，以及为什么能源部可能对3D打印数控机床感兴趣之前，我们需要再学习一个缩写词:ACE。

　　ACE意味着美国的尖端项目，代表了美国能源部和美国国防部工业基础分析和维持计划之间的一项新合作。ACE由一系列项目组成，作为对过去几十年美国机床能力下降的集体回应。美国在机床市场的份额不断下降(从1998年的23.2%的高点降至2010年的6.2%)，以及美国在机床上的进口支出(2018年86亿美元)和出口销售(420万美元)之间的差异，都可以体现出这一态势。

　　田纳西大学诺克斯维尔分校教授Tony Schmitz表示，当ACE项目启动时，几个行业合作伙伴一国防部工业政策办公室、工业基础分析和可持续性项目、ORNL、先进复合材料创新研究所和田纳西诺克斯维尔大学共同召开会议，探讨如何利用橡树岭的大幅面聚合物印刷能力，为混凝土机床厂生产模具。

　　原因很简单:大多数机床都有铸造部件，而美国用于支持这些需求的铸造基础设施在近几十年里急剧下降。Schmitz说，以1987年为例，美国有774家铸铁工厂。而这几年，这一数字已经下降到不到一半，只有330家。在这些尚存的工厂中，许多工厂的规模都不足以为大型机床生产铸件。带来直接的影响，就是大型机械铸件普遍转向国外采购。

　　ACE团队认为，重新定位机床基地生产，将提升美国的经济和制造业劳动力，缩短供应链和大型铸造生产商与机床OEM之间的距离。根据橡树岭在大幅面聚合物3D打印方面的经验，他们认为混凝土填充的3D印刷聚合物模具，可以为传统的金属铸件提供一种高性能的替代品。

　　该团队正在研发的机器实际上是一种混合机床，结合三轴立式数控加工中心和wire arc 3D打印机的工作量，使其正好处于中等规模的典型vmc范围内。然而，用于该设备底座的3D打印模具非常庞大:156英寸×78英寸×96英寸，都是在橡树岭与辛辛那提公司(Cincinnati Inc.)的BAAM系统一起打印出来的，使用20%碳纤维ABS颗粒熔化并挤压后多层沉积。而墙体厚度的计算，主要是为了承受接下来引入的压力:1.5万磅浇注混凝土。

　　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，该团队就降低钢筋结构，因为该结构是为适应其内部尺寸而专门预制的。这种钢筋结构不仅可以增强强度，还是几个传感单元的分段区，这其中包括温度记录仪和三轴加速度计。在30分钟的时间里，混凝土填满了空腔，它将几个传感器嵌入到底座，这些传感器可以通过设备外部的电线接入。虽然工程师们计算出模具内的预期压力为3.8兆帕斯卡，但他们设计的结构在垂直方向上承受16.4兆帕斯卡的屈服强度，这是印刷层的方向，代表了设计中的低强度。

　　浇注完成后，当固化进行时，该装置留在外面。传感器跟踪内部温度，上升至150°F ，这个温度不是由田纳西州夏季炎热所引起的,而是混凝土开始固化时的放热反应。当混凝土完全固化后，整个装置翻转90度，并运输到制造示范设施内。下一组测试将利用预埋在混凝土底座中的加速度计。

　　为了在控制器安装之前测量结构动力学，工程师们在机器工作台将要放置的区域进行了冲击测试。当设备完成以后，这些固有频率、模态刚度值和阻尼比将影响机器的性能，而嵌入式传感器将帮助监测其振动，并通知整个速度和进给方式的选择。但接下来的步骤，将是安装焊枪(这将用于丝弧AM工艺)和铣削主轴。

　　当所有这些工作都完成后，系统与数控系统集成，登月飞船就会着陆。但是，在传统的机床基地和3d打印/混凝土机床基地之间，已经形成了一个鲜明的对比。混凝土的价格约为每立方码100美元，或每磅2.5美分。Schmitz说，铸铁的成本一直是浮动的，主要取决于零件的尺寸、复杂性和质量，从亚洲运输到美国的铸件的成本通常在每磅75美分到2.50美元之间。即使考虑到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，仍然可以节省大量的成本。上述这些因素，都是ACE团队为该项目设想整体利益的一部分。

　　Schmitz说：“我们试图在制造示范设施内进行月球发射，通常与IMTS保持一致。它真正拓宽了研究人员的头脑和想象力，他们与工业界并肩工作，看看我们是否能够突破那些人们公认的界限。”

　　ORNL制造系统研究小组组长Lonnie Love博士说，这些看似不可能的“登月”项目，推动了该小组的进一步发展。压力可想而知，对于这个项目，我们已经在很短的时间内开发出了新材料、新工艺和新的控制方法。但终，我们并没有解决所有的问题，不过，它让我们进一步认识到，哪些才是我们需要真正了解的“问题”。

　　(原标题： Inside Oak Ridge’s 3D-Printed Machine Tool Moonshot )

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