隨著國際社會努力越遠(yuǎn)地進(jìn)入太空，一個真正不可逾越的障礙可能就在我們的家園星球上。超過70%的地球被海洋覆蓋，但美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）估計(jì)，只有不到20%的海洋被充分探索。與太空探索不同，深海探索長期以來一直資金不足和被忽視。盡管面臨無數(shù)挑戰(zhàn)，一些研究人員并沒有放棄，并且正在使用負(fù)擔(dān)得起的3D打印技術(shù)來越來越深入研究。
在羅德島大學(xué)（URI）海灣校區(qū)的水下機(jī)器人和圖像采集實(shí)驗(yàn)室，Brennan Phillips教授和一組學(xué)生正在開發(fā)用于探索數(shù)千米深處海洋的工具。使用Form 3+和Form 3L立體光刻（SLA）3D打印機(jī)，實(shí)驗(yàn)室打印防水相機(jī)機(jī)身和各種研究儀器。
壓力下的防水部件
海洋測繪需要的工具不僅要防水，而且在遠(yuǎn)低于水面的巨大壓力下也能保持防水。菲利普斯和他實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生為相機(jī)設(shè)計(jì)了一個3D打印的外殼，即使在壓力下也能保持完全干燥，但仍然可以很容易地取出，以便在使用后檢索數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)十次迭代，該團(tuán)隊(duì)決定采用圓柱形設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將在Form 3+上打印在兩個透明樹脂組件中。電路板安裝在外殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，環(huán)氧樹脂填充物確保相機(jī)鏡頭保持懸浮狀態(tài)。鏡頭下方只有環(huán)氧樹脂，通過集成在外殼中的舷窗注入。
“我們面臨的挑戰(zhàn)是盡可能便宜地開發(fā)盡可能小尺寸的深海相機(jī)。我們現(xiàn)在已經(jīng)打印了數(shù)十種不同形狀的模型，并且由于打印過程，形狀沒有限制。我們可以快速創(chuàng)建設(shè)計(jì)，組裝電子設(shè)備，將它們插入外殼，優(yōu)化尺寸，然后倒入環(huán)氧樹脂，“菲利普斯報(bào)道。
3D打印使實(shí)驗(yàn)室可以在不擔(dān)心成本的情況下進(jìn)行廣泛的迭代，并且還允許比加工更大的設(shè)計(jì)自由度。
DEEPi相機(jī)的混合設(shè)計(jì)包括3D打印模具和O形圈密封件，以及用于PCB組件的環(huán)氧樹脂填充空腔和外部透明玻璃視口（美國專利#16/920 577）
在實(shí)驗(yàn)室中，在壓力罐的幫助下模擬深海環(huán)境。一旦菲利普斯和他的學(xué)生團(tuán)隊(duì)確定了環(huán)氧樹脂的兩件式設(shè)計(jì)，他們將零件放置在壓力室中，并增加壓力以模擬深海條件。“這真的是一個實(shí)驗(yàn)。我一直在往下走，比我們預(yù)期的還要遠(yuǎn)，甚至有數(shù)千米，“菲利普斯說。
Formlabs 提供高精準(zhǔn)度與可靠的打印材料
在評估各種3D打印機(jī)時，準(zhǔn)確性和材料特性對菲利普斯和他的實(shí)驗(yàn)室至關(guān)重要。由于其各向同性，SLA 3D打印機(jī)的零件是無孔的，可阻隔水的浸入；此外，SLA零件的光滑表面光潔度還確保了功能組件（例如兩件式圓柱形外殼）配合在一起，而不會產(chǎn)生粗糙的表面氣孔。打印部件的尺寸精度和高分辨率也有助于它們防水。由于極其嚴(yán)格的公差和最小的特征尺寸，螺紋可以直接打印到材料中，菲利普斯的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在這種兩件式封裝和進(jìn)一步固定連接的螺釘中都利用了這一點(diǎn)。
用于外殼的全 3D 打印組件，即使在超過 1000 米的深度和高壓下也能保護(hù)電子元件免受海水的影響。O形圈直接壓入組件中，并用手動擰緊的表圈封閉表殼
“您需要百分之百地填充SLA部件，其次，我們需要高分辨率，以便兩個零件之間的O形圈實(shí)現(xiàn)完全密封。這些部件直接從打印機(jī)中取出，我們可以將它們打磨一點(diǎn)并對齊，以便所有關(guān)鍵表面都光滑。這就是我們獲得完美密封件的方式，“菲利普斯說。
Formlabs 打印機(jī)提供的材料精度和范圍使實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)造（用于深海使用的防水外殼）在陸地和水下都取得了成功。他們設(shè)法打印相同的外殼，與在陸地上打印的副本相比沒有可衡量的差異，這意味著這些組件可以在全球各地的船上現(xiàn)場打印并立即使用。該報(bào)告表明，這些基本工具可以在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)，支持實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)深海研究民主化的使命。
Form3L的引入
當(dāng) Formlabs 宣布推出 Form 3L 時，Phillips 和他的團(tuán)隊(duì)是第一批直接加入的人之一?！拔覀兪荈orm 3L的早期采用者之一，”菲利普斯說。Form 3L的大幅面打印尺寸使團(tuán)隊(duì)能夠嘗試更大的水下探索設(shè)計(jì)，并通過創(chuàng)新的研究儀器支持實(shí)驗(yàn)室的附加功能。
為了在水下使用外殼和其他監(jiān)測設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室必須部署和維護(hù)數(shù)百米長的細(xì)光纖電纜。為了避免打結(jié)，該團(tuán)隊(duì)首先使用改裝的自行車車輪將電纜穿過船欄桿。但是，配備了大幅面SLA打印機(jī)，他們能夠?qū)υ撛O(shè)備進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，以減小其尺寸并提高操作效率。
在3D打印的滑軌的幫助下，光纖電纜可以平穩(wěn)地穿過欄桿，而不會打結(jié)或斷裂
“我們不想為這種釣魚繩使用轉(zhuǎn)盤或輪子。我們需要一條鐵軌。所以我們打印了這個設(shè)備的三到四次迭代。它又大又漂亮又光滑，光滑度對肌腱較細(xì)非常有幫助，“菲利普斯解釋道。通過將導(dǎo)軌印在透明樹脂 Form 3L 上，可以更快地安全地收起釣魚線，從而減少更換團(tuán)隊(duì)設(shè)備的需要。
光纖創(chuàng)新
盡管將它們卷起來很麻煩，但釣魚線并不是一種特別精致的材料。另一方面，光纖電纜需要不同的處理方式，并且在損壞時會導(dǎo)致更高的成本。菲利普斯的實(shí)驗(yàn)室與位于美國羅德島州波塔基特的Nautilus Defense LL合作，發(fā)明了一種創(chuàng)新的新型玻璃纖維釣魚線（FOFL，光纖釣魚線的縮寫，美國專利申請中）?！肮饫w為我們提供了以太網(wǎng)、實(shí)時視頻和所有這些東西。使用長距離銅纜很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。所以現(xiàn)在有一些以前不存在的東西——玻璃纖維釣魚線，“菲利普斯解釋道。
但就其本身而言，玻璃纖維釣魚繩尚無法使用，它需要一個機(jī)械端點(diǎn)，以便在不破壞玻璃纖維芯的情況下拉動它。由于光纖電纜無法打結(jié)或加工，與其他更堅(jiān)固的線路不同，該團(tuán)隊(duì)必須為電纜末端設(shè)計(jì)一個支架。
借助公差嚴(yán)格的Formlabs 的 SLA 桌面3d打印機(jī)制作部件，釣魚繩的承重外線可以與脆弱的玻璃纖維芯分離。使用注入的環(huán)氧樹脂，將編織皮帶連接到3D打印支架上，并將玻璃纖維送入金屬分支管中，該分支管可以連接到計(jì)算機(jī)以訪問通過光纖傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>
SLA壓力部件用作“玻璃纖維釣魚肌腱”FOFL（美國專利申請中）的機(jī)械端點(diǎn)，該FOFL將承重外線與精致的玻璃纖維芯分開
“這種化合物非常堅(jiān)固，至少可以承受一百磅。我們已經(jīng)申請了專利，但我們也免費(fèi)提供了設(shè)計(jì)，“菲利普斯說?！叭绻麤]有3D打印，按照正常的制造工藝，這些零件每次的成本可能為3000美元或4000美元，我們已經(jīng)經(jīng)歷了幾次迭代。我認(rèn)為沒有人這樣做，因?yàn)樯a(chǎn)之路太昂貴了。正是通過 Formlabs 3D 打印機(jī)等方法的快速原型制作和新的玻璃纖維生產(chǎn)線相結(jié)合，才使這樣的新想法變得切實(shí)可行，“菲利普斯說。
成本更低的 3D 打印密封件
在3D打印之前，開發(fā)這些工具是昂貴的，阻礙了研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用必要的設(shè)計(jì)更改，并使資金不足的項(xiàng)目無法完全開發(fā)。水下機(jī)器人和圖像采集實(shí)驗(yàn)室是基于“深度和廉價”座右銘的全球運(yùn)動的一部分——即深入研究，但低成本。該運(yùn)動旨在使科學(xué)民主化并提供技術(shù)，以便我們能夠更好地了解我們周圍的海洋?！拔掖蛴×艘呀?jīng)內(nèi)置O形圈的端蓋，它奏效了。如果你通過機(jī)械加工來做到這一點(diǎn)，它要花費(fèi)數(shù)百甚至數(shù)千美元，并且圖紙必須完全正確。使用這些打印機(jī)，我可以打印三到四個版本并獲得合適的版本，只需 50 美元的材料成本，“菲利普斯說。
實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)不僅限于打印最終用途部件，借助Clear Resin，它還為3D打印模具引入了高效的工作流程。最終結(jié)果是使用3D打印模具快速拼接水下電纜的優(yōu)化解決方案。
廣泛的用例
在菲利普斯實(shí)驗(yàn)室，Formlabs 3D 打印機(jī)用于原型制作、原型制作、快速模具制作、夾具和夾具，甚至醫(yī)療設(shè)備。即使在這樣一個小型的研究實(shí)驗(yàn)室中，菲利普斯和學(xué)生的創(chuàng)新精神也在不斷擴(kuò)大技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和可能性。
在 Covid-19 大流行期間，菲利普斯和他的學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識到他們有能力在羅德群島應(yīng)對大流行方面做出真正的改變。通過廣泛的測試和研究，該團(tuán)隊(duì)能夠公布 Formlabs 手術(shù)導(dǎo)板樹脂用于 3D 打印呼吸機(jī)組件的化學(xué)除氣結(jié)果。在此過程中，該團(tuán)隊(duì)不僅獲得了科學(xué)出版物，而且還提交了材料以供美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)緊急使用授權(quán)（EUA）。
“在大流行期間，我們付出了巨大的努力來創(chuàng)造一些東西，我們希望成為其中的一部分，并在我們可以提供最多支持的地方提供幫助。由于打印機(jī)的質(zhì)量和手術(shù)導(dǎo)板樹脂，我們能夠在更高的水平上做出貢獻(xiàn)，“菲利普斯說。
在 Covid-19 大流行的早期階段，由布朗大學(xué)和羅德島醫(yī)院的研究人員合作設(shè)計(jì)的呼吸機(jī)的 Y 型分配器是用手術(shù)導(dǎo)板樹脂 3D 打印的
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