2023 年 4 月，德克薩斯州巴斯特羅普的 TUM Boring 團(tuán)隊
TUM Boring?是慕尼黑工業(yè)大學(xué)的學(xué)生組織，由來自 60+ 個國家的 16 多名學(xué)生組成。該小組于 2020 年聚集在一起，參加了埃隆·馬斯克 （Elon Musk） 的 The Boring Company （TBC） 的 2021 年 Not-a-Boring 比賽。
這個由學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊致力于移動出行的未來，旨在建造世界上最快的微型隧道掘進(jìn)機（TBM）之一，以推動隧道行業(yè)的創(chuàng)新。比賽提供了一個完美的場所，可以了解他們的項目與來自世界各地的創(chuàng)新相比如何。
在 2021 年贏得比賽后，TUM Boring 團(tuán)隊獲得了一臺 Form?3+ 立體光固化成型 （SLA） 打印機，并使用了 Fuse 1+ 30W?選擇性激光燒結(jié) （SLS） 打印部件。新購置的3D打印技術(shù)顯著改善了團(tuán)隊的工作流程。從快速原型制作到最終用途零件，F(xiàn)orm 3+ 改變了 TUM Boring 的日常運營，并幫助該團(tuán)隊在 2023 年 4 月贏得了第二屆 Not-a-Boring 比賽。
了解 TUM Boring 如何利用 3D 打印技術(shù)為其隧道掘進(jìn)機制造堅固耐用的零件，并在競爭中脫穎而出，連續(xù)第二年獲得一等獎。
利用 SLA 3D 打印加速設(shè)計迭代
將 Form 3+ 引入內(nèi)部后，TUM Boring 團(tuán)隊的迭代能力得到了顯著提高。為了了解如何連接隧道掘進(jìn)機內(nèi)的不同管道，該團(tuán)隊轉(zhuǎn)向 Form 3+，使用?Grey Resin?打印不同概念創(chuàng)意的微型原型。這使他們能夠近距離觀察機械結(jié)構(gòu)，而無需立即在真人大小的機器上工作，從而提高了效率并節(jié)省了時間。
“我們可以把一些東西放在一起，到晚上，我們已經(jīng)有了一個可以查看的原型。在此基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)行迭代。
Tom Luca Reinhardt
TUM Boring 執(zhí)行董事會成員兼機械工程團(tuán)隊聯(lián)合負(fù)責(zé)人
學(xué)生們還能夠在3D打印的刀輪組件上進(jìn)行多輪功能測試。在柔性 80A 樹脂中打印結(jié)構(gòu)略有不同的刀輪的微縮模型，使團(tuán)隊能夠比簡單地通過計算機輔助設(shè)計程序更好地可視化產(chǎn)品。Tom Luca Reinhardt 肯定地說：“我們有 CAD 程序，但這只會向您展示這么多。將實物產(chǎn)品掌握在我們手中，從不同的角度來看待它總是更好。
使用 SLA 制造最終用途零件：高效且節(jié)省成本
除了原型設(shè)計外，TUM Boring 還使用 SLA 技術(shù)來打印最終用途部件，例如螺絲孔蓋和傳感器支架。
在隧道掘進(jìn)機的外殼上，有幾個螺絲孔，需要方便地接近，以防刀盤需要拆卸，但也要蓋上蓋子以保護(hù)機器免受污垢和粘土的影響。3D 打印螺絲孔蓋可以經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)小批量定制零件，這些零件易于拆卸，并且仍能保護(hù)機器免受碎屑的影響。
萊因哈特指出，這是“相當(dāng)大的效率提升”。在嘗試了不同的工程材料后，該團(tuán)隊決定使用灰色樹脂，它不需要額外的后處理，其特點是具有卓越的表面光潔度。
螺絲孔蓋采用灰色樹脂印刷，便于接近螺絲，在維護(hù)期間節(jié)省團(tuán)隊時間
SLA 3D 打印的小批量生產(chǎn)工作流程、材料的多功能性和卓越的表面光潔度也使其他類型的最終用途應(yīng)用成為可能。隧道掘進(jìn)機有大量的傳感器，它們在運行過程中不能偏離對準(zhǔn)是至關(guān)重要的。這意味著每個傳感器都需要一個定制的支架，該支架必須足夠堅固，能夠承受壓力并且不會在撞擊時斷裂。
該團(tuán)隊以前由第三方制造商用不銹鋼生產(chǎn)，通過在?Tough 2000 Resin?的 Form 3+ 上打印傳感器支架來優(yōu)化這一過程。外包零件通常需要幾天甚至幾周的時間，而且成本遠(yuǎn)高于內(nèi)部制造。通過使用 3D 打印，該團(tuán)隊現(xiàn)在可以簡單地將文件發(fā)送到 Form 3+，并在大約四個半小時內(nèi)打印出支架。
“通過3D打印，我們只需上傳STL文件，在幾個小時內(nèi)，我們就有了成品支架，可以安裝傳感器?！?/p>
Tom Luca Reinhardt
TUM Boring 執(zhí)行董事會成員兼機械工程團(tuán)隊聯(lián)合負(fù)責(zé)人
在團(tuán)隊試用的樹脂中，Tough 2000 Resin?因其堅固性和可靠性而成為這一特定應(yīng)用的明顯贏家。事實上，在進(jìn)行了一些測試后，TUM Boring 團(tuán)隊確定“它可能會承受一些負(fù)載”，并且它不會在撞擊時斷裂。
SLS 3D 打印切削工具在高壓下進(jìn)行應(yīng)力測試
除了 SLA 零件外，TUM Boring 還使用?SLS?打印切割工具測試了不同的切割輪結(jié)構(gòu)。Fuse 1+ 30W 使團(tuán)隊能夠進(jìn)行不同的迭代，然后為比賽確定最佳幾何形狀。選擇的設(shè)計包括具有更鋒利邊緣的切削工具，以平滑地切削地面，以及平刃工具，以在鏜削過程中承受更大的阻力。然后，最終的幾何形狀被送到第三方制造商，并用不銹鋼生產(chǎn)。
事實證明，尼龍 11 CF 粉末（左）比團(tuán)隊預(yù)期的要堅固得多，并允許他們在不銹鋼部件（右）到達(dá)之前在機器上測試不同版本的切削工具
在 Formlabs 提供的各種 SLS 粉末中，他們發(fā)現(xiàn)?Nylon 11 CF Powder?是該應(yīng)用的最佳材料，因為耐用性、剛度和抗沖擊性是關(guān)鍵要求。在功能測試過程中，零件會承受很大的壓力和沖擊力。我們用這些部件對地面施加了很大的力，以至于我們能夠移動 15 噸的集裝箱，而且我們沒有看到它們有任何破損，“Reinhardt 補充道。事實上，當(dāng)這些非常輕的部件經(jīng)受住力的考驗時，團(tuán)隊感到驚喜;沒有裂縫或破損的跡象。
在進(jìn)行了幾次測試后，該團(tuán)隊觀察到碳纖維打印切割工具上有輕微的磨損跡象，但遠(yuǎn)低于團(tuán)隊的預(yù)期。此外，在比賽結(jié)束后，他們注意到碳纖維原型和最終用途的不銹鋼部件具有大致相同的磨損和損壞跡象，顯示了尼龍 11 CF 粉末的強度和耐用性?！斑@讓很多成員感到驚訝，尤其是那些不相信3D打印，或者不太相信3D打印過程的成員。所以，證明他們錯了是件好事，“萊因哈特說。
碳纖維3D打印原型（如圖所示）和最終用途的不銹鋼部件具有大致相同的磨損和損壞跡象
在隧道掘進(jìn)行業(yè)中，挖掘出的粘土?xí)吃诰蜻M(jìn)機的切割輪上，從而造成重大問題。粘土?xí)冇膊⑼耆氯囕?，?dǎo)致隧道掘進(jìn)過程的嚴(yán)重延誤。此外，如果切削工具受到腐蝕，它們會影響機器的質(zhì)量和精度。在如此苛刻的背景下，尼龍 11 CF 粉末的耐腐蝕性和防粘性能是一個無法預(yù)料且具有影響力的優(yōu)勢。
重新定義隧道行業(yè)的效率
“[這次經(jīng)歷]給了我們很大的信心，讓我們在未來嘗試不同的東西，并且更多地依賴3D打印。
Tom Luca Reinhardt
TUM Boring 執(zhí)行董事會成員兼機械工程團(tuán)隊聯(lián)合負(fù)責(zé)人
在連續(xù)兩次獲勝后，尚未確認(rèn)該團(tuán)隊是否會參加下一屆 The Boring Company 的 Not-a-Boring 比賽。如果有一件事是肯定的，那就是該團(tuán)隊將努力繼續(xù)開發(fā)其3D打印的使用，并將其納入他們未來的項目中。
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