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冷喷涂金属3D打印武器组件!

导读:随着3D打印技术能在数小时内打印出复杂产品,这对军火工业的改革产生了巨大的影响。2020年,全球军费开支估计约为1.83万亿美元(约11.86万亿人民币),而且预计这一趋势将会持续下去。随着世界各地的国防领域所需弹药、工具和机器零件的增加,增材制造是支持这一庞大而复杂的供应链的有效途径。

3D打印枪支、子弹和炸弹

枪支、子弹和大炮是军队武器库中最基本的元素。2017年,有统计显示全球军队中流通的枪支约有1.33亿支,另外还有10万支火炮武器。此外,每年生产大约100亿颗子弹。从这个数字来看,就算射杀地球上的每个人,仍有近25亿颗子弹备用。为了让枪支和大炮发挥作用,需要精确、耐用的结构。因此,枪管、子弹壳和大炮需要完美地校准到毫米。此外,它们需要高拉伸强度以防止断裂或裂纹,同时满足耐热性要求。子弹和大炮外壳尤其需要由廉价、坚固的材料制成。

Titomic和Repkon在2021年4月签署了一项协议,在澳大利亚建设3D打印设施。将Repkon的汽缸制造专业知识与Titomic的3D打印技术结合,增强澳大利亚国防制造工艺。总部位于土耳其的Repkon在金属制造技术方面拥有近四年的经验,例如热旋压、流动成型和剪切成型,用于生产弹头、枪管、弹壳和导弹体,以及其他设备。

Titomic总部位于澳大利亚,以冷喷涂增材制造工艺闻名。这项技术是与澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)共同开发的,Titomic拥有工艺商业化的独家权利,可以将钛或钛合金颗粒的冷气动态喷涂应用到脚手架上,产生承重结构。TitomicKinetic Fusion (TKF) 使用加压气体以超音速将金属粉末沉积到基材上(既可以是构建平台,也可以是现有金属零件)。在这样的速度下,撞击时释放的高动能使金属颗粒发生塑性变形并将它们粘合在一个极其致密的层中。随着更多金属粒子的沉积,紧密结合的金属零件层将会形成所需的形状,几乎不需要后处理。TKF工艺将材料损失减少了90%,同时将温室气体 (GHG) 排放量减少了60%,并且已在航空航天和国防领域得到广泛应用,例如可用于飞行的航空部件和高性能火箭部件。

△TKF是“冷喷涂”增材制造工艺,不使用激光或其他热源来熔化粉末形状。所需能量都来自加压气体的动能。图片由Titomic提供。

TKF的构建速度非常快,TKF 9000的构建速度为每小时75kg,能够生产最大体积为 9m x 3m x1.5m 的零件。产品具有高拉伸强度,孔隙率为0.3%。Titomic打印机使用各种不同的金属和合金粉末,包括钛、铜、钢、镍、Inconel 718 和Invar 36。

通过TKF,Titomic开发了融合不同金属的方法。例如,先打印钛层,然后在上面打印镍或钢等其他金属层,从而创建一个多金属组件,利用所有金属的优点。TKF还可以制造以不同比例混合并在打印过程中融合的异质合金。工艺能够对聚合物、塑料和陶瓷工具进行金属化处理,提高耐用性,并以具有成本效益的方式及时赋予零件更多特性。无论是多金属熔合、异质合金还是金属化,都可以在军事领域(包括从火炮外壳、枪管到防弹衣和机器零件)应用。

△TKF可以使用不同金属打印单个组件。此部件具有纯钛部分、钛和铜异质合金部分以及镍超合金部分。图片由Titomic提供。

2020年2月,Titomic与全球国防制造商Composite Tech签署了2250万澳元(约1.1亿人民币)的协议,使用增材制造技术为北约提供国防产品。作为交易的一部分,将向Composite Tech提供两台TKF打印机。

冷喷涂工艺的其他军事应用

枪支、子弹和大炮并不是军方需要的唯一关键装备。机器零件、车辆零件、建筑工具和其他设备等对军队也至关重要。因此,停机时间、后勤失误和延迟以及更换或维修成本对军队来说是一个严重的损害。考虑到军事任务的时间敏感性,各个国防部门已经开始探索将战场和增材制造结合的可行性。例如,美国海军已经在与xerox合作,在船上3D打印机器零件,减少停机时间并保持高产量。

△美国海军舰队图表。为庞大的移动舰队安装新零件或更换零件不仅花费过多,而且还会浪费大量宝贵时间。图片由NavalGraphics提供。

另一家澳大利亚增材制造公司SPEE3D,与Titomic一样,使用气室以3马赫(约3675千米/小时)的速度喷射金属粉末,使金属塑性变形为致密层。这种冷喷涂工艺被称为“Supersonic 3D沉积”,以这种方式打印的所有部件都经久耐用且价格实惠,每公斤成本在40到100美元(约259到648人民币)之间。SPEE3D打印机主要使用铜、不锈钢、铝合金和铝青铜,它们具有众多军事应用所需的抗拉强度、成本效益和耐腐蚀性。

2020年6月,澳大利亚陆军与SPEE3D达成了150万美元(约972万人民币)的合作伙伴关系,管理3D打印机WarpSPEE3D的一系列战场测试。打印机的构建速度为每分钟100克,可打印重达40 公斤的物体。两个月之后,澳陆军又在敌对的北部地区(NT)重新部署金属3D打印机。使用升级后的机器,士兵们能够在高达37℃的闷热温度下3D打印终端使用部件。

2021年4月,SPEE3D还将3D打印技术与游戏制作相结合,发布了端到端金属制造模拟器SPEE3DCraft。游戏开发人员将SPEE3D高速金属3D打印技术的过程整合到了虚拟应用程序中。模拟器中还显示了使用SPEE3D技术的真实位置,包括澳大利亚内陆地区(模拟战场测试环境)。

△SPEE3DCraft

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