冷噴涂金屬3D打印武器組件!
導(dǎo)讀:隨著3D打印技術(shù)能在數(shù)小時(shí)內(nèi)打印出復(fù)雜產(chǎn)品,這對(duì)軍火工業(yè)的改革產(chǎn)生了巨大的影響。2020年,全球軍費(fèi)開支估計(jì)約為1.83萬億美元(約11.86萬億人民幣),而且預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)下去。隨著世界各地的國防領(lǐng)域所需彈藥、工具和機(jī)器零件的增加,增材制造是支持這一龐大而復(fù)雜的供應(yīng)鏈的有效途徑。
3D打印槍支、子彈和炸彈
槍支、子彈和大炮是軍隊(duì)武器庫中最基本的元素。2017年,有統(tǒng)計(jì)顯示全球軍隊(duì)中流通的槍支約有1.33億支,另外還有10萬支火炮武器。此外,每年生產(chǎn)大約100億顆子彈。從這個(gè)數(shù)字來看,就算射殺地球上的每個(gè)人,仍有近25億顆子彈備用。為了讓槍支和大炮發(fā)揮作用,需要精確、耐用的結(jié)構(gòu)。因此,槍管、子彈殼和大炮需要完美地校準(zhǔn)到毫米。此外,它們需要高拉伸強(qiáng)度以防止斷裂或裂紋,同時(shí)滿足耐熱性要求。子彈和大炮外殼尤其需要由廉價(jià)、堅(jiān)固的材料制成。
Titomic和Repkon在2021年4月簽署了一項(xiàng)協(xié)議,在澳大利亞建設(shè)3D打印設(shè)施。將Repkon的汽缸制造專業(yè)知識(shí)與Titomic的3D打印技術(shù)結(jié)合,增強(qiáng)澳大利亞國防制造工藝?偛课挥谕炼涞腞epkon在金屬制造技術(shù)方面擁有近四年的經(jīng)驗(yàn),例如熱旋壓、流動(dòng)成型和剪切成型,用于生產(chǎn)彈頭、槍管、彈殼和導(dǎo)彈體,以及其他設(shè)備。
Titomic總部位于澳大利亞,以冷噴涂增材制造工藝聞名。這項(xiàng)技術(shù)是與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)共同開發(fā)的,Titomic擁有工藝商業(yè)化的獨(dú)家權(quán)利,可以將鈦或鈦合金顆粒的冷氣動(dòng)態(tài)噴涂應(yīng)用到腳手架上,產(chǎn)生承重結(jié)構(gòu)。TitomicKinetic Fusion (TKF) 使用加壓氣體以超音速將金屬粉末沉積到基材上(既可以是構(gòu)建平臺(tái),也可以是現(xiàn)有金屬零件)。在這樣的速度下,撞擊時(shí)釋放的高動(dòng)能使金屬顆粒發(fā)生塑性變形并將它們粘合在一個(gè)極其致密的層中。隨著更多金屬粒子的沉積,緊密結(jié)合的金屬零件層將會(huì)形成所需的形狀,幾乎不需要后處理。TKF工藝將材料損失減少了90%,同時(shí)將溫室氣體 (GHG) 排放量減少了60%,并且已在航空航天和國防領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,例如可用于飛行的航空部件和高性能火箭部件。
△TKF是“冷噴涂”增材制造工藝,不使用激光或其他熱源來熔化粉末形狀。所需能量都來自加壓氣體的動(dòng)能。圖片由Titomic提供。
TKF的構(gòu)建速度非?,TKF 9000的構(gòu)建速度為每小時(shí)75kg,能夠生產(chǎn)最大體積為 9m x 3m x1.5m 的零件。產(chǎn)品具有高拉伸強(qiáng)度,孔隙率為0.3%。Titomic打印機(jī)使用各種不同的金屬和合金粉末,包括鈦、銅、鋼、鎳、Inconel 718 和Invar 36。
通過TKF,Titomic開發(fā)了融合不同金屬的方法。例如,先打印鈦層,然后在上面打印鎳或鋼等其他金屬層,從而創(chuàng)建一個(gè)多金屬組件,利用所有金屬的優(yōu)點(diǎn)。TKF還可以制造以不同比例混合并在打印過程中融合的異質(zhì)合金。工藝能夠?qū)酆衔、塑料和陶瓷工具進(jìn)行金屬化處理,提高耐用性,并以具有成本效益的方式及時(shí)賦予零件更多特性。無論是多金屬熔合、異質(zhì)合金還是金屬化,都可以在軍事領(lǐng)域(包括從火炮外殼、槍管到防彈衣和機(jī)器零件)應(yīng)用。
△TKF可以使用不同金屬打印單個(gè)組件。此部件具有純鈦部分、鈦和銅異質(zhì)合金部分以及鎳超合金部分。圖片由Titomic提供。
2020年2月,Titomic與全球國防制造商Composite Tech簽署了2250萬澳元(約1.1億人民幣)的協(xié)議,使用增材制造技術(shù)為北約提供國防產(chǎn)品。作為交易的一部分,將向Composite Tech提供兩臺(tái)TKF打印機(jī)。
冷噴涂工藝的其他軍事應(yīng)用
槍支、子彈和大炮并不是軍方需要的唯一關(guān)鍵裝備。機(jī)器零件、車輛零件、建筑工具和其他設(shè)備等對(duì)軍隊(duì)也至關(guān)重要。因此,停機(jī)時(shí)間、后勤失誤和延遲以及更換或維修成本對(duì)軍隊(duì)來說是一個(gè)嚴(yán)重的損害?紤]到軍事任務(wù)的時(shí)間敏感性,各個(gè)國防部門已經(jīng)開始探索將戰(zhàn)場和增材制造結(jié)合的可行性。例如,美國海軍已經(jīng)在與xerox合作,在船上3D打印機(jī)器零件,減少停機(jī)時(shí)間并保持高產(chǎn)量。
△美國海軍艦隊(duì)圖表。為龐大的移動(dòng)艦隊(duì)安裝新零件或更換零件不僅花費(fèi)過多,而且還會(huì)浪費(fèi)大量寶貴時(shí)間。圖片由NavalGraphics提供。
另一家澳大利亞增材制造公司SPEE3D,與Titomic一樣,使用氣室以3馬赫(約3675千米/小時(shí))的速度噴射金屬粉末,使金屬塑性變形為致密層。這種冷噴涂工藝被稱為“Supersonic 3D沉積”,以這種方式打印的所有部件都經(jīng)久耐用且價(jià)格實(shí)惠,每公斤成本在40到100美元(約259到648人民幣)之間。SPEE3D打印機(jī)主要使用銅、不銹鋼、鋁合金和鋁青銅,它們具有眾多軍事應(yīng)用所需的抗拉強(qiáng)度、成本效益和耐腐蝕性。
2020年6月,澳大利亞陸軍與SPEE3D達(dá)成了150萬美元(約972萬人民幣)的合作伙伴關(guān)系,管理3D打印機(jī)WarpSPEE3D的一系列戰(zhàn)場測試。打印機(jī)的構(gòu)建速度為每分鐘100克,可打印重達(dá)40 公斤的物體。兩個(gè)月之后,澳陸軍又在敵對(duì)的北部地區(qū)(NT)重新部署金屬3D打印機(jī)。使用升級(jí)后的機(jī)器,士兵們能夠在高達(dá)37℃的悶熱溫度下3D打印終端使用部件。
2021年4月,SPEE3D還將3D打印技術(shù)與游戲制作相結(jié)合,發(fā)布了端到端金屬制造模擬器SPEE3DCraft。游戲開發(fā)人員將SPEE3D高速金屬3D打印技術(shù)的過程整合到了虛擬應(yīng)用程序中。模擬器中還顯示了使用SPEE3D技術(shù)的真實(shí)位置,包括澳大利亞內(nèi)陸地區(qū)(模擬戰(zhàn)場測試環(huán)境)。
△SPEE3DCraft
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