美國(guó)陸軍利用WAAM 3D打印技術(shù)生產(chǎn)12英尺長(zhǎng)的船舶攔阻部件

2024年4月9日，南極熊獲悉，美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)（USACE）與林肯電氣公司合作，利用金屬3D打印技術(shù)制造了一種12英尺長(zhǎng)的船舶攔截系統(tǒng)部件。這標(biāo)志著金屬3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，為船舶安全和軍事設(shè)施提供了新的解決方案。

△金屬3D打印技術(shù)示意

采用3D打印技術(shù)快速制造杠桿臂

該部件已安裝在美國(guó)蘇水閘(Soo Locks)設(shè)施的兩個(gè)水閘之一上，被稱為是利用3D打印技術(shù)制造的最大的美國(guó)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施部件。蘇水閘是由美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的一組平行船閘，使船只能夠在蘇必利爾湖和五大湖下游之間航行，該船閘被認(rèn)為是美國(guó)鐵礦石的主要中轉(zhuǎn)站。

△蘇水閘(Soo Locks)

在蘇水閘進(jìn)行例行維護(hù)期間，發(fā)現(xiàn)了船舶攔阻系統(tǒng)的杠桿臂出現(xiàn)了裂縫（該系統(tǒng)可保護(hù)閘門免受失控船舶和船舶碰撞的影響），而這個(gè)杠桿臂已經(jīng)使用了60年。這些裂縫是在2023年2月發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行臨時(shí)修復(fù)，以確保在2023年航季時(shí)能夠重新投入使用船閘系統(tǒng)。然而，在今年的蘇伊士運(yùn)河船閘為期十周的冬季維護(hù)周期中，美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)需要更換這個(gè)關(guān)鍵安全部件，以確保今后能夠長(zhǎng)期使用。

美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)決定將增材制造作為最佳選擇，并將杠桿臂合同授予林肯電氣公司。美國(guó)陸軍工程兵底特律區(qū)的工程師設(shè)計(jì)了杠桿臂，然后與林肯電氣公司合作確定了最佳打印策略，以減少變形、達(dá)到所需的表面光潔度和材料特性，并確保適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制。

△12英尺長(zhǎng)的3D打印金屬部件安裝在蘇水閘的制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)

面對(duì)緊迫的期限并認(rèn)識(shí)到該項(xiàng)目的復(fù)雜性，它們決定利用線弧增材制造（WAAM）快速制造新的杠桿臂。同時(shí)采用了高強(qiáng)度、低合金鋼，將該部件分成兩塊進(jìn)行快速制造，其中一塊重約4000磅，另一塊重2000磅。兩件部件隨后在林肯電氣位于底特律的貝克工業(yè)工廠焊接在一起，機(jī)加工由富爾頓鋼鐵公司負(fù)責(zé)，涂層由Coatings Unlimited公司負(fù)責(zé)。此外，新的杠桿臂表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度特性，比以前的組件高出大約20-30%，保證了性能的提高和使用壽命。與采用傳統(tǒng)技術(shù)預(yù)計(jì)需要18個(gè)月的準(zhǔn)備時(shí)間相比，該部件在12周內(nèi)就完成了組裝。蘇伊士運(yùn)河船閘于2024年3月22日重新開放。

美國(guó)陸軍工程兵底特律地區(qū)指揮官Brett Boyle中校評(píng)論說(shuō)：“我們通過(guò)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和保護(hù)戰(zhàn)略性水資源和基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)確保國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)活力。隨著我們的基礎(chǔ)設(shè)施不斷老化，這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)是我們以創(chuàng)新的新方式實(shí)施計(jì)劃的機(jī)遇，從而提高我們的效率。蘇水閘項(xiàng)目為我們提供了與美國(guó)陸軍工程研究與發(fā)展中心（ERDC）合作的機(jī)會(huì)。我們利用現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，提供了質(zhì)量穩(wěn)定、交貨時(shí)間大幅縮短的解決方案�！�

△線弧增材制造(WAAM)技術(shù)示意

3D打印為制造業(yè)進(jìn)步提供變革潛力

美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)越來(lái)越頻繁地需要更換大型老式部件。因此，美國(guó)ERDC已開始廣泛研究美國(guó)陸軍和國(guó)防部如何利用該技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施組件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)代化改造。為此，該組織一直在與美國(guó)跨國(guó)電力管理公司Eaton合作開展快速成型制造研究。該研究不僅促成了蘇水閘杠桿臂項(xiàng)目，并開發(fā)了一個(gè)數(shù)字化的USACE零件庫(kù)，旨在加快更換零件的周轉(zhuǎn)時(shí)間。后續(xù)研究還將側(cè)重于不銹鋼材料的生產(chǎn)、多材料能力和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)資產(chǎn)管理處處長(zhǎng)Peter Dodgion說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)研究人員和行業(yè)合作伙伴與我們一樣熱衷于解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。我們土木工程部門的現(xiàn)場(chǎng)人員知道制造方面的問(wèn)題出在哪里。我們所要做的就是將這些研究人員與我們的現(xiàn)場(chǎng)人員聯(lián)系起來(lái)，然后現(xiàn)實(shí)世界的解決方案就開始出現(xiàn)了�！�

Eaton公司政府項(xiàng)目總監(jiān)Bryan Farrens補(bǔ)充說(shuō)："這項(xiàng)技術(shù)不僅加強(qiáng)了我們的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，還強(qiáng)化了合作的力量如何塑造制造業(yè)的未來(lái)，以及如何實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全和效率�！�