美国陆军利用回收、再生和本地材料进行远征战

 有机玻璃天线板     |      2016-01-10

  美国陆军研究实验室发布研究报告,探讨在严峻环境下利用基地所在地的材料进行灵活远征制造。这些本地材料不仅包括此区域内的天然有机和无机材料,还包括作战基地的可再生材料(金属、聚合物等)以及战场废料。该理念可以减少在异国进行战争所需的庞大后勤供应,节约物资和挽救生命,使作战人员专注于执行任务。

  减少后勤供应负担是利用战区当地材料的重要优势之一。2012年10月31日发布的《2012年军队可持续性报告》表明,陆军希望减少在战场上补给部队所需的车队数量,减少易受攻击的车队不仅可节约物资,挽救生命,而且指派保护车队的军队可以参与敌人交战。减少战区供应踪迹的章程被认为是整个陆军成功转型的关键,与陆军未来的任务相关。

  与利用本地材料进行制造有关的挑战有很多。首先,材料必须随时可得,并且数量有保证。其次,作战基地必须具有加工制造能力,并可稳定地提供可靠的生产方法,同时遗留较少的物理和环境痕迹。还必▪•★须考虑这些制造过程的可扩展性。电力和能源需求将决定上述制造过程在作战基地内的可行型。更令人担忧之处在●于,极端环境(即振动、热力和大气条件)对原材料和后续处理步骤所需设备的影响。

  平均每名士兵每天可产生超过3。2千克★◇▽▼•的废弃物,而且消除废弃物的手段有限,所以有必要从环境和健康的角度解决此问题。其中水瓶问题尤为突出,每名士兵每年会产生90~136千克水瓶。还产生包含有机和无机材料的多种废物,包括方便食品垃圾、纸板箱、玻璃纸、泡沫聚苯乙烯包装盒、废油和用过的空气过滤器、废机油、弹药衬垫以及铜制空药筒、医疗废物、废电池等。这些都为新型加工技术在战场上高效重复利用材料提供了可能。工作重心应在于,提供一种安全和环保方式,把废物转化为增值产品。

  此次研究目标是开发利用本地及可循环使用的回收资源进行战区内增材制造技术,进而为作战人员提供增值产◇…=▲品。美国陆军研究实验室在以下几个方面开展研究:在战场上生产增材制造级金属粉末(旨在为作战基地的金属增材制造提供原料),沙漠沙与3D打印机配合用于制造模具,以及将废塑料用于增材制造。

  自2012年以来,陆军一直在阿富汗的前线D打印机。这些机器主要用于生产塑料零件,但到目前为止,尚未有任何金属增材制造设备进入战场。

  在前线作战基地上与金属增材制造相关的挑战之一是增材制造过程中使用的易燃金属粉末的运输。为了解决这个问题,美国陆军研究实验室发布了一项题为“在战场生产增材制造级金属粉末”的小企业创新研究课题,第一阶段合同己获得批准。

  战区传•□▼◁▼统金属粉末生产(如气体雾化或水雾化)中的问题在于,需要太多的基础设施,其中包括设备、公共设施(电力、水和惰性气体)、粉末的后期处理、清洁要求▲★-●等。此报告的结论为,根据预期需要储存合金粉末将更为实用。

  分别是美国工程与制造公司与俄亥俄大学组成的研究小组以及莫雷沃克斯(Molyworks)公司签订了第一阶段合同。美国工程与制造公司提出使用洛伦兹力悬浮熔炼,而莫雷沃克斯公司提议在移动式铸造设备上生产金属粉末。虽然这些公司在第一阶段工作中只进行概念验证,但实际上,莫雷沃克斯公司现有的移动式铸造设备已经可以生产金属粉末,包括AISI 4130钢、6061铝合金和316不锈钢。莫雷沃克斯公司还计划以后生产Ti-6Al-4V钛合金和铜粉。使用集装箱承载该移动式铸造设备,并且随着进一步的研究和开发,预计集装箱中还可容纳辅助设备(控制器、电源、供气等)。该方法还需要进行优化,因为制成的粉末中只有一小部分在金属增材制造的最有效点直径(约45Um)范围内。

  在移动式铸造设备中,将经过认证的合金放入坩场中(将来希望金属粉末可以仅由战场废料制成),等离子体熔化,并倒入流动的氢气中。形成金属粉末并在设备末端的旋风分离器中收集。制备的AISI 4340钢粉和316不锈钢粉末颗粒大部分为球形。鉴定在此过程中使用废料的可行性,美国陆军研究实验室向莫雷沃▽•●◆克斯公司提供来自战场的废金属和废铝,将其分别加入到经认证的钢铁和铝中。加入废热粉末的AISI 4130钢和加入了废粉的铝粉末形貌并无太大不同。

  美国陆军研究实验室还想确定移动式铸造设备生产的粉末是否可与冷气动力喷涂(冷喷涂)过程一起使用。这一点非常重要,因为它将表明在战场上生产的增材制造级金属粉末是否可能与便携式冷喷涂机一起使用,实现原位修复零件,进而延长这些部件的使用寿命,并减少取备件返回战场所需要的后勤。将316不锈钢粉末置于VRC二代便携式冷喷系统的粉末进料器中,并喷涂到316不锈钢基板上。为进行比较,将普莱克斯FE-101316不锈钢粉末的样品也冷喷涂到基材上。

  莫雷沃克斯粉需要喷涂35道才能累积0。254c★▽…◇m,相比之下,普莱克斯粉只需要喷涂25道。此外,使用莫雷沃克斯粉末的冷喷结构比莫雷沃克斯公司的粉末冷喷结构要粗糙得多。为了确定此差异的原因,将该基板切分并制备金相学样品。两种冷喷粉末的比较显示,莫雷沃克斯公司的粉末孔隙率似乎更低,但具有更多的微裂纹,这表明这种结构内的残余应力更高。

  对316不锈钢颗粒进行抛光处理,然后进行扫描电镜观察。证实,移动式铸造设备生产的粉末大部分是球形的,类球形所占的数量较少,且有角形更少。在横截面可看到一些气孔,这可能是固化期间留在熔融颗粒中的雾化气体所致。对于316不锈钢,颗粒与颗粒间的微观结构不同,这可能是制造过程中的变异性所致。这也可能对冷喷涂粉末的性能造成影响。

  莫雷沃克斯公司还使用其移动式铸造设备生产的316不锈钢粉末进行了增材制造。研究人员利用激光工程化净成形(LENS)系统打印了立方体材料和棒材,并测试得了其密度和拉伸性能。

  有的3D打印机能使用沙子和粘合剂增材制造获得模具。与传统砂模相比,增材制造的砂模具有一定的优点,包括:模具可在更短的时间内制造,且无需复杂和昂贵的工具;模具通过CAD模型生成;可适应复杂的几何形状,并可以更快实现设计修改。此外,使用本地砂石进行模具制造还可减少后勤负担。

  美国陆军研究实验室与北爱荷华大学合作,确定本地砂石(如在沙漠或海滩中发现的)是否也可利用这些机器,结合相应的粘合剂,从而在战区制造生产时间较长的零件。研究思路是基于某零件CAD绘图的增材制造模具。作为概念验证,将位于加利福尼亚州欧文堡(莫哈韦沙漠)国防训练中心的砂石送往北爱荷华大学,用于研究其在增材制造中的应用前景。莫哈韦沙漠砂石与打印机原始设备制造商提供的砂石比较,两者存在显著差异,包括尺寸分布(可通过筛分解决)、组成。模拟部件的CAD图发送至▼▼▽●▽●北爱荷华大学,便于确定是否可使用莫哈维沙漠砂石铸造A356铝,并与使用原始设备制造商粉末制作的模具对比。

  尽管增材制造对陆军而言是一个相对新的领域,但陆军快速装备部队已将聚合物增材制造设备部署到战场,以作为远征实验室的一部分。远征实验室包括一台Fortus 250打印机。Fortus 250能够打印的聚合物原料类型相当有限,限制了其应用。该机器的主要缺点在于需要使用原始设备制造商提供的商用丝材。如果此种丝材不可获得,则可能出现后勤供应链问题。陆军研究实验室的研究确定了尝试使用再循环聚合物(来自作战基地,包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚苯乙烯(PS)的丝材)进行增材制造的可行性。使用回收材料的难题在于材料(包括许多塑料容器中存在的添加剂/填料/染料)的纯度以及生物和化学污染、混合或未知原料等等。

  使用乙醇冲洗塑料容器,干燥,然后切割成片材来制备聚合物长丝。粉碎后,在高速搅拌机中混合处理高密度聚乙烯和聚丙烯,形成均匀尺寸的碎片。将切碎的聚合物在140℃~270℃的◁☆●•○△温度范围内进料到挤出机中,熔化聚合物,并将挤出物收集在卷取机上。考虑到模具的膨胀和收缩,喷嘴直径在1。75~3。0毫◆▼米间调节。目标直径介于1。75~3。0毫米之间。

  选择有打印机的前线作战基地,其中打印机通常使用聚碳酸酯。丙烯腈-丁二烯,苯乙烯(PC-ABS)丝材。为确定用此△▪▲□△种丝材可实现的最佳机械性能,打印▪▲□◁了一系列具有不同填充密度、填充模式和轮廓重叠的棒材。研究表明,50%以上的填充密度几乎不会提高抗拉强度。与75%的填充密度相比,50%的填充试◆◁•样的拉伸强度更高。断裂面的电镜图像显示,所有样品均显示层间缺陷。25%填充密度的样品在空隙处发生了断裂。50%填充密度的试样中明显存在丝材颈缩的情况,而75%和100%的填充密度也呈现出变形迹象。

  研究人员还使用四种常见图案(即网格、简易蜂窝,完整蜂窝和三角形)研究了填充模式的影响(50%填充密度,30%重叠率)。在拉伸强度方面,不同的模式之间几乎没有变化。三角形和网格图案模式具有最高的重现性,而蜂窝图案,特别是简易蜂窝图案的误差较高。相邻长丝的轮廓重叠或重叠百分比也在50%填充密度(网格图案)下进行了研究。

  回收聚合物具有多种不同的添加剂、填料和染料,并且即使是相同的聚合物类型,也可能经历不同的加工条件。为更好地了解不同的回收聚合物原料以及材料预期获得的最佳性能,对原料进行了热态测试和机械测试。使用模具从牛奶罐、苏打水瓶和塑料杯(聚丙烯)上切割出狗骨状拉伸材料。聚苯乙烯材料太脆无法进行冲压。苏打水瓶的抗拉强度最高,约为聚烯烃材料的5倍。聚对苯二甲酸乙二醇酯瓶具有2个屈服点,失效前具有显著的伸展量。另外,还测试了不同材料的玻璃化温度、熔融温度和结晶温度等。对材料的化学组成进行了表征。

  回收的聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯已经被制成丝材并打印成拉力试棒。使用50%(聚★△◁◁▽▼苯乙烯)或100%(聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯)填充密度、网格图案和30%重叠量打印回收塑料制成的拉力试棒。聚苯乙烯拉伸试棒非常脆,其平均抗拉强度为19。9土3。9MPa,难以卷绕并在打印机中进给,所以聚苯乙烯的填充和打印参数未优化。由塑料苏打瓶制成的聚对苯二甲酸乙二醇酯丝材的抗拉强度为36。4土3。lMPa,与PC-ABS丝材相当(34。8土0。8MPa)。酸奶容器的聚丙烯具有较低的平均抗拉强度,为20。1士2。3Mpa。打印参数正在进行优化,以提高回收丝材的增材制造零件的拉伸强度。

  莫雷沃克斯公司在通过集装箱内的移动式铸造设备生产金属粉末方面取得了较大的进步。增材制造级金属粉末可用废金属批量制成,粉末可冷喷涂,并能进行增材制造。希望未来可在战区生产此种粉末,实现组件的实时维修(例如,使用冷喷涂技术)或制造备件。

  北爱荷华大学研究表明,沙漠砂可用于增材制造铸模,以通过传统翻砂铸造的方式生产零件。此概念验证表明,可有效地利用当地可用的砂石,经简单加工后,生产出足够强度的模具来铸造轻金属合金。该能力未来允许用户使用本地砂石和回收/再生的战场废料在战区制造零件。

  最后,美国陆军研究实验室研究了利用再生塑料进行增材制造。该研究确定了最佳的打印参数,以最少量的材料制成最强的零件。表征了潜在废塑料的热、机械和☆△◆▲■化学性质。聚对苯二甲酸乙二醇酯具有最高的拉伸强度,可能是制造强力塑料零件的最佳选择。未来的工作将涉及用回收的聚丙烯、高密度聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯丝材制成拉伸试样进行测试。

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