大型3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域、現(xiàn)狀和頂級(jí)大尺寸3D打印機(jī)

導(dǎo)讀：大型3D打印涉及多種技術(shù)、多種材料，已在許多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。事實(shí)上，"大"的定義是相對(duì)的，沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)家和企業(yè)選擇3D打印以滿足他們的大型產(chǎn)品需求，大型3D打印已經(jīng)逐漸成為市場的主流。研發(fā)者一步步突破3D打印機(jī)的尺寸，突破技術(shù)界限，打印更多和更大的產(chǎn)品。那么大型3D打印有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？大型3D打印機(jī)又有什么？



產(chǎn)品的尺寸往往取決于技術(shù)和材料，而且要在精度和尺寸間找尋平衡點(diǎn)，這使得選擇合適的3D打印機(jī)成為成功的關(guān)鍵因素。軟件在創(chuàng)建大型產(chǎn)品方面也發(fā)揮著重要作用，因?yàn)榇蛴〈笮蛯?duì)象的最佳方式通常是分段打印并組裝。大型3D打印產(chǎn)品包括但不僅限于以下物品：
●展示品、道具和標(biāo)牌
●房屋和建筑元素
●工業(yè)及金屬零件
●家具和車輛

展示品、道具和標(biāo)牌


△荷蘭 Naturalis 生物多樣性中心擁有自己的 3D 打印實(shí)驗(yàn)室，并使用兩臺(tái) Builder Extreme 1500 Pro 3D 打印機(jī)制作了霸王龍的復(fù)制品

●沒有霸王龍的恐龍博物館當(dāng)然不能算是真正的博物館！日本恐龍博物館基于實(shí)際霸王龍化石的3D掃描模型進(jìn)行了3D打印，這個(gè)長12米、高5米的復(fù)制品是使用兩臺(tái)以 PLA 塑料絲為材料的 Builder Extreme 大型 3D 打印機(jī)打印的大型部件。

●博物館館長、電影布景和道具設(shè)計(jì)師、游樂園、會(huì)議和世博會(huì)展示制造商等也選擇大幅面3D打印機(jī)以加快生產(chǎn)速度，除了速度和成本優(yōu)勢外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (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(chuàng)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(shù)家將石膏覆蓋在為 2020 年迪拜世博會(huì)重建的 17 英尺高的米開朗基羅大衛(wèi)的3D打印復(fù)制品上

●這個(gè)17英尺高的3D打印米開朗基羅的大衛(wèi)，在2020年迪拜世博會(huì)上展出，以促進(jìn)佛羅倫薩的旅游業(yè)。一臺(tái)足夠大的聚合物3D打印機(jī)不可能以超精細(xì)的細(xì)節(jié)制作一件復(fù)制品，因此它被分成14個(gè)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(wèi)內(nèi)部是一個(gè)格子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有助于將其重量保持在僅550公斤作用，且有一定的強(qiáng)度，能夠正常打包和運(yùn)輸。


△德國的 Styles Werbetechnik 使用 Tractus3D 大型 FDM 打印機(jī)以比傳統(tǒng)方法更快的速度制作發(fā)光的標(biāo)牌字母

●德國標(biāo)牌制作公司Styles Werbetechnik選擇大型3D打印技術(shù)，制造了戶外標(biāo)牌。該公司不僅希望加快生產(chǎn)速度，還希望在內(nèi)部進(jìn)行字母制作，不再依賴海外生產(chǎn)商的標(biāo)準(zhǔn)字母設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)可能性。例如，用于發(fā)光標(biāo)牌的字母深度在傳統(tǒng)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(jī)，它們還可以在晚上和周末運(yùn)行，加快了生產(chǎn)時(shí)間。


△史密森尼博物館 3D 打印了 120 尊真人大小的 STEM 領(lǐng)域女性領(lǐng)袖雕像

2022年位于華盛頓特區(qū)的史密森尼學(xué)會(huì)設(shè)立了一個(gè)紀(jì)念女科學(xué)家的展覽，其中包括120 個(gè)真人大小的 3D 打印雕像。它被稱為“IfThenSheCan – The Exhibit”，是有史以來規(guī)模最大的女性雕像系列，這一系列的每個(gè)雕像都是使用 FDM 技術(shù)打印的。

房屋和建筑元素


△來自 Icon 的 3D 打印可持續(xù)房屋

談到大型3D打印項(xiàng)目當(dāng)然少不了房屋項(xiàng)目。雖然很少有建筑物只是 3D 打印的(通常需要或結(jié)合結(jié)構(gòu)支撐，例如鋼筋加固或傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu))，但由于3D打印技術(shù)具有速度快、節(jié)省勞動(dòng)力和結(jié)構(gòu)耐用的優(yōu)勢，該技術(shù)可以服務(wù)于家庭和酒店。 全球建筑3D打印市場預(yù)計(jì)在未來五年內(nèi)將增長近 20%。

●下圖的兩層樓建筑由建筑設(shè)計(jì)和工程公司 Hannah 和 Cive 以及提供3D打印機(jī)的Peri 3D Construction共同完成。這座 4,000 平方英尺的房子已經(jīng)賣給了一位匿名競標(biāo)者，總共需要兩年時(shí)間才能完工。Peri 的 Cobod Bod2 龍門打印機(jī)是 3D 打印建筑界響當(dāng)當(dāng)?shù)拇蛴�機(jī)，用于將專用混凝土混合物擠出，制作樓梯間和其他功能結(jié)構(gòu)，在這個(gè)項(xiàng)目中總共打印了330 個(gè)小時(shí)。


△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(jī)還廣泛用于建筑元素，包括用于修復(fù)的外墻和歷史特色，以及室內(nèi)設(shè)計(jì)，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(fā)揮了作用。Branch Technology 專注于使用機(jī)械臂聚合物擠出機(jī)進(jìn)行大型 3D 打印，創(chuàng)造從雕塑到太空棲息地的一切。其名為BranchClad的創(chuàng)新建筑面板系統(tǒng)為建筑立面開辟了新機(jī)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(cè)的月球表面（下圖）。這些立面使用月球數(shù)字掃描創(chuàng)建，對(duì)月球表面表現(xiàn)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(cè)

工業(yè)及金屬零件


△Relativity Space 的 Stargate 金屬 3D 打印機(jī)

●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(jié)構(gòu)，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(jī)在專有金屬上進(jìn)行 3D 打印，使用機(jī)械臂定向能量沉積技術(shù)。 Relativity Space 表示，火箭承受發(fā)射壓力的能力是一個(gè)巨大的勝利，證明了其金屬 3D 打印方法的結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的跨越阿姆斯特丹運(yùn)河的金屬橋由MX3D使用機(jī)械臂電弧增材制造技術(shù)打印而成。這座 12 米長的不銹鋼“智能橋”包括一個(gè)嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)，可幫助阿姆斯特丹研究人員研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在建筑環(huán)境中的作用。該結(jié)構(gòu)采用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)開發(fā)，重量十分輕。MX3D橋的也展示了金屬 3D打印在藝術(shù)和雕塑中的應(yīng)用。

●下面是藝術(shù)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(jīng)過的鯨魚的鰭。此項(xiàng)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(shè)計(jì)，由 MX3D 3D 打印

●大型金屬 3d 打印可以用于許多工業(yè)領(lǐng)域，海洋、石油和天然氣以及重型建筑設(shè)備行業(yè)的公司能夠更快地生產(chǎn)大型零件，而且通常是在現(xiàn)場生產(chǎn)。例如，下面的船用螺旋槳使用 WAAM 技術(shù)進(jìn)行 3D 打印以產(chǎn)生近凈形狀，然后將其加工成更嚴(yán)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(shù)工業(yè)應(yīng)用的首批示例之一

●3D 打印金屬還可以減輕零件的重量，因?yàn)?3D 打印可以產(chǎn)生鍛造或鑄造無法實(shí)現(xiàn)的形狀。根據(jù)打印機(jī)制造商 SLM Solutions 的說法，飛機(jī)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(gè)激光粉末床融合 3D 打印部件。該部件不僅比傳統(tǒng)鍛造部件輕 15%，而且該技術(shù)還縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。由于該部件是將載荷從輪子轉(zhuǎn)移到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的一部分，因此它由鈦制成以提高強(qiáng)度。材料的選擇賦予零件強(qiáng)大的機(jī)械性能，同時(shí)無需涂層即可耐腐蝕，使用四激光 SLM 800 3D 打印機(jī)打印的�！霸霾闹圃焱ㄟ^快速提供用于測試的零件，有助于節(jié)省鑒定和認(rèn)證階段的時(shí)間。SLM Solutions 全球服務(wù)和解決方案執(zhí)行副總裁 Gerhard Bierleutgeb 說：“我們能夠在幾天內(nèi)生產(chǎn)出主要配件，而使用鍛造工藝則需要幾個(gè)月�！�


△私人飛機(jī)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(gè)重要應(yīng)用。對(duì)于必須鑄造的金屬工業(yè)零件，模具制作步驟既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。使用砂型3D打印機(jī)，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(jī)，它使用粘合劑噴射技術(shù)不僅可以生產(chǎn)巨大的模具，而且可以在一次打印過程中生產(chǎn)出數(shù)千個(gè)模具。


△Voxlejet 的 VX4000 打印機(jī)（來源：Voxeljet）

家具和車輛


△使用 WASP 3D 打印機(jī)進(jìn)行一體化制造的椅子。

●室內(nèi)設(shè)計(jì)師也逐步選擇大幅面3D打印，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)和獨(dú)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(shí)際需求的一個(gè)例子。輕便耐用，這種設(shè)計(jì)可以用回收塑料生產(chǎn)，也解決了塑料垃圾問題。該模型是在The Industry Sweden的 Magnum 3D 打印機(jī)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(xué)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(jì)其數(shù)，包括NYXO Visionary Design（下圖）使用在 Colossus XS 3D 打印機(jī)上打印的輕質(zhì)發(fā)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(chǎn)品設(shè)計(jì)公司 NYXO Visionary Design 設(shè)計(jì)，并在 Colossus XS 打印機(jī)上使用 ColorFabb PLA 打�。▉碓矗篊olossus）

作為迄今為止最大的 3D 打印船和最大的實(shí)體 3D 打印物品進(jìn)入吉尼斯世界紀(jì)錄的是下圖展示的3D打印船，長 7.72 米。這艘船由緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心于 2019 年打印，由塑料和木質(zhì)纖維素制成，3D 打印僅用了 72 小時(shí)，重 2.2 噸。


△緬因大學(xué)生產(chǎn)的完全 3D 打印的真實(shí)大小的船

●自行車制造商也選擇了3D打印技術(shù)，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(jié)省時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)不受結(jié)構(gòu)接頭限制的新設(shè)計(jì)自由度。自行車制造商已經(jīng)生產(chǎn)了鈦、鋼和碳纖維復(fù)合材料的模型。下面這款來自 Urwahn 的鋼架電動(dòng)自行車使用金屬 3D 打印進(jìn)行批量生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)形式、功能、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料的平衡。該公司表示，特殊的后端彈性懸掛后輪并產(chǎn)生一種新型的乘坐舒適性，而鋼架則將電機(jī)和電池集成在一起。


△Urwahn 的 3D 打印鋼架電動(dòng)自行車

大型打印的設(shè)計(jì)技巧和軟件


△30 英尺高 3D 打印雕像，該雕像由 365 個(gè)單獨(dú)的 3D 打印部件組裝而成，每個(gè)部件需要 28 小時(shí)才能在 55 臺(tái) 3D 打印機(jī)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(dòng)，加快了生產(chǎn)速度，并且可以提高結(jié)構(gòu)完整性，因?yàn)闆]有接縫或表面。但是，如果打印對(duì)象實(shí)在是太大了，您就需要將其分割成多個(gè)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(yōu)點(diǎn)是可以讓您設(shè)計(jì)一些裝配和對(duì)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(jiān)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(wǎng)格工具，分割是快速和自動(dòng)化的；

●手動(dòng)分割數(shù)字模型時(shí)，避免直接穿過細(xì)節(jié)區(qū)域或支撐區(qū)域。避免在設(shè)計(jì)中的最弱點(diǎn)處拆分，即那些比模型其余部分薄得多的區(qū)域。


頂級(jí)大尺寸3D打印機(jī)


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

如果想用3D打印機(jī)制造大型塑料件、道具和標(biāo)牌等部件，可以使用大幅面線材 3D 打印機(jī)，它們本質(zhì)上與桌面線材打印機(jī)一致，有些打印機(jī)能夠使用工程級(jí)耐用材料進(jìn)行打印。

如果您想比最大的 FDM 打印機(jī)（+1,600 x 1,200 x 1,300）更大，則需要機(jī)械臂 3D 打印機(jī)，即末端安裝有擠出機(jī)頭的機(jī)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(jī)的吉尼斯世界紀(jì)錄為緬因大學(xué)的龍門式擠壓頭組件，可達(dá)到 30,000 x 6,700 x 3,000 毫米。但是，此打印機(jī)不出售。機(jī)械臂打印機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們通常以更經(jīng)濟(jì)的顆粒形式使用聚合物進(jìn)行打印

樹脂 3D 打印通常不能大于 1,000 毫米，但少數(shù)例外情況除外，例如 Kings 1700 Pro 和 3D Systems ProX 950，因?yàn)榇蛴�時(shí)間極長。樹脂通常比 FDM 花費(fèi)更長的時(shí)間。


△中型混凝土 3D 打印機(jī)在大幅面藝術(shù)應(yīng)用方面表現(xiàn)出色

混凝土3D打印機(jī)是一個(gè)蓬勃發(fā)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(shù)實(shí)現(xiàn)的，例如電弧增材制造 (WAAM)。這些方法使用安裝在機(jī)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。