橡樹嶺國家實驗室位於美國田納西州，最初作為美國“曼哈頓計劃”的一部分創造了歷史，進行了在核反應堆生產和分離鈾和鈈的關鍵研發。而今天，橡樹嶺國家實驗室正在進行一項可能改變世界的技術——增材製造。
增材製造也就是3D打印技術，它的基本原理是通過計算機控制，以逐層添加的方式實現物體的成型。大多數打印使用塑料或其他聚合物，但橡樹嶺國家實驗室率先使用金屬粉末進行3D打印，金屬材質可以用於製造耐熱耐壓的器材，例如噴氣發動機零件等。通過“印刷”零件的方式取代傳統的機加工組裝零件，可以節省大量的時間，金錢和物品重量——這些都是製造業中最寶貴的東西。
通過與私營企業的合作，橡樹嶺國家實驗室正在研究鋼，鋁和其他金屬合金的不同應用。GE增材設計與開發經理Brian Thompson說，增材製造中金屬粉末的使用還有很大潛力。
10月，GE增材與橡樹嶺國家實驗室簽署了一項為期五年的合作研發協議，用以將實驗研究成果與GE在實際產品開發中的經驗相結合。該協議延續了橡樹嶺國家實驗室與GE旗下的Arcam公司的合作。Arcam的3D打印機大小和冰箱差不多，這些打印機使用電子束將數百萬粒金屬粉晶粒焊接在一起，形成一層薄薄的金屬，來鑄造噴氣發動機零件等。
3D打印機根據電腦繪圖將一層一層細金屬粉末熔融成最終形狀
例如，GE的新型Catalyst渦輪螺旋槳發動機就有十幾個3D打印的部件。以前，這些部件必須由800多個零件組成，但現在都可以作為一個整體打印。GE的LEAP噴氣發動機的燃油噴嘴現在也可以作為一個整體組件被打印，而不像傳統的通過20個部件焊接在一起構成。將大量小的零件精煉成一整個部件，可以大大節省重量，燃料消耗和鑄造成本。
飛機發動機的燃油噴嘴
不過，這種製造實際過程非常複雜，存在一定的出錯風險。一點點微小的變化，比如溫度、粉末的化學性質，甚至設備的使用年限會對最終產品的生產產生重大影響。生產噴氣發動機零件時即使是幾分之一毫米的錯誤也可能毀壞整個機身。GE增材的高級製造副總裁Christine Furstoss對比表示：“我們仍在努力研究材料和機器的所有變化將如何影響零件的生產質量。”
為了增材製造事業的發展，工程師們需要確保其零件每次都符合嚴格的標準規定。如何處理這項挑戰，將是橡樹嶺國家實驗室與GE增材現在以及將來的合作重心。GE的一些工廠（例如意大利的Avio Aero）已在其使用的金屬粉末3D打印機上配備了傳感器，可以收集每次的生產的數據。
圖片來源：Carlos Jones/ORNL.
分析傳統計算機上的大量信息需要花費很長時間，不過橡樹嶺國家實驗室也是一臺科學超級計算機Summit的落址地，它被譽為地球上功能最強大的計算機，能夠每秒執行200萬億次的計算。（預計到2021年，更強大的Frontier將會加入，它每秒能夠進行五百萬億次的計算。）
“這種強大的計算能力釋放了一些令人欣喜的潛力。我們可以更快地分析數據。” Thompson說。這些數據將被插入到複雜的計算機模型中，以幫助研究人員瞭解許多變量如何相互作用，並對程序進行微調。這些成果也可以集成到AI驅動的軟件中，該軟件可以在生產過程中實時調整設備。
為了讓3D打印過程更高效，這些努力將會激勵更多公司開始選擇3D打印。Thompson說，“只需按一下按鈕，就可以推出產品。不過，距離這個效果，我們還有一些差距。他表示，這個行業仍處於起步階段，“我們不像傳統制造業那樣，擁有50到60年的加工經驗和人才，這就是為什麼進行對3D打印的科學研究如此重要。”
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