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

2024年4月9日，南極熊獲悉，美國陸軍工程兵部隊（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英尺長的船舶攔截系統(tǒng)部件。這標志著金屬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蘇水閘(Soo Locks)設(shè)施的兩個水閘之一上，被稱為是利用3D打印技術(shù)制造的最大的美國土木工程基礎(chǔ)設(shè)施部件。蘇水閘是由美國陸軍工程兵部隊運營和維護的一組平行船閘，使船只能夠在蘇必利爾湖和五大湖下游之間航行，該船閘被認為是美國鐵礦石的主要中轉(zhuǎn)站。

△蘇水閘(Soo Locks)

在蘇水閘進行例行維護期間，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)可保護閘門免受失控船舶和船舶碰撞的影響），而這個杠桿臂已經(jīng)使用了60年。這些裂縫是在2023年2月發(fā)現(xiàn)的，當時正在進行臨時修復(fù)，以確保在2023年航季時能夠重新投入使用船閘系統(tǒng)。然而，在今年的蘇伊士運河船閘為期十周的冬季維護周期中，美國陸軍工程兵部隊需要更換這個關(guān)鍵安全部件，以確保今后能夠長期使用。

美國陸軍工程兵部隊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。美國陸軍工程兵底特律區(qū)的工程師設(shè)計了杠桿臂，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、達到所需的表面光潔度和材料特性，并確保適當?shù)馁|(zhì)量控制。

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

面對緊迫的期限并認識到該項目的復(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。同時采用了高強度、低合金鋼，將該部件分成兩塊進行快速制造，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，機加工由富爾頓鋼鐵公司負責，涂層由Coatings Unlimited公司負責。此外，新的杠桿臂表現(xiàn)出更高的強度特性，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)計需要18個月的準備時間相比，該部件在12周內(nèi)就完成了組裝。蘇伊士運河船閘于2024年3月22日重新開放。

美國陸軍工程兵底特律地區(qū)指揮官Brett Boyle中校評論說：“我們通過運營、維護和保護戰(zhàn)略性水資源和基礎(chǔ)設(shè)施來確保國家安全和經(jīng)濟活力。隨著我們的基礎(chǔ)設(shè)施不斷老化，這是一項挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)是我們以創(chuàng)新的新方式實施計劃的機遇，從而提高我們的效率。蘇水閘項目為我們提供了與美國陸軍工程研究與發(fā)展中心（ERDC）合作的機會。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)進步提供變革潛力

美國陸軍工程兵部隊越來越頻繁地需要更換大型老式部件。因此，美國ERDC已開始廣泛研究美國陸軍和國防部如何利用該技術(shù)對基礎(chǔ)設(shè)施組件和結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)代化改造。為此，該組織一直在與美國跨國電力管理公司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目，并開發(fā)了一個數(shù)字化的USACE零件庫，旨在加快更換零件的周轉(zhuǎn)時間。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)計優(yōu)化。

美國陸軍工程兵部隊資產(chǎn)管理處處長Peter Dodgion說：“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)場問題。我們土木工程部門的現(xiàn)場人員知道制造方面的問題出在哪里。我們所要做的就是將這些研究人員與我們的現(xiàn)場人員聯(lián)系起來，然后現(xiàn)實世界的解決方案就開始出現(xiàn)了。”

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