林肯实验室增材制造部门负责人Derek Straub谈3D打印的未来

作为林肯实验室增材制造部门的负责人，Derek Straub与技术人员合作，为各种技术设计3D打印部件，并监督9台工业机器的生产。图片来自：Nicole Fandel

散落在Derek Straub办公室里的是有趣的文物：蹼状金属结构，由聚合物制成的扭曲圆筒，铝块的横截面显示内部复杂的建筑。它们是在麻省理工学院林肯实验室增材制造（AM）机器中逐层构建的。它们也是Straub的愿景。

Straub是林肯实验室的AM负责人。因其对增材制造领域的贡献而获得国际认可。 “制造工程”杂志是SME（全称为制造工程师协会）的出版物，已将Straub列为30位30岁以下的杰出个人之中，他们将引领制造业的未来。

“我感到很荣幸，特别是与众多才华横溢的人，首席执行官，学术研究人员，企业家一起获得认可，”在制造工程集团工作的Straub说。 “我认为让我与众不同的一件事就是我的探索性思维。我采用计算的，基于工程的风险来推动AM的可能性，然后在实验室，将我们所学到的知识直接应用到实际中去——世界防御应用。”

在实验室工作的七年中，Straub已成为设计并原型制造3D打印部件的专家，这些部件用于卫星，成像系统，无人机和呼吸监视器等多种系统。他于2015年通过林肯学者计划获得麻省理工学院制造学硕士学位。

在他工作的商店里，Straub指出了一系列传统的减法机器，它们切割或激光切割材料以生成最终形式。与减法工艺相比，AM，正如其名称所暗示的，是添加剂，即分层材料以构建最终形式。 Straub解释说，AM对于制作复杂零件特别有用，复杂零件需要复杂的几何形状，曲线或空隙，这些都是使用减法工艺难以或无法加工的。

“我们可以设计以前无法实现的复杂零件，可以通过AM实现，”他说。 “但它不能完全取代减法加工;它只是另一种工具，非常重要的工具。”

他担任AM主管的部分职责是向AM设计提供可以实现的功能思想。去年，39％的实验室硬件程序在某些方面使用了AM。

Straub预计这一数字将在五年内增长至接近100％。一个值得注意的是高能激光系统，该系统由115个附件构成，超过整个系统组件的四分之一。这些部件有助于保持系统轻量化和紧凑，也是两个主要程序的要求，但也有助于实现功能——例如，保持系统冷却并提供结构刚性。容纳系统光纤放大器的金属板内装有流道，冷却液可以沿着热激光纤维的曲线通过流道。 Straub说，这种AM设计在传统上是不可能被加工出来的。

Straub的前任组长Jim Ingraham提名他为30位30岁以下的杰出个人。

“在我与Derek合作的六年中，我看到一位极富创造力和技术先进的工程师，不仅开发增材制造技术，而且成为该领域的领导者，开发了各种以前无法实现的集成多功能部件，”Ingraham说。

虽然AM通常被称为“3-D打印”（当机器首次使用喷墨头分配粘合剂并将各层粘合在一起时，由MIT教授创造的术语），但Straub更喜欢增材制造这一术语，因为它更多地涵盖了今天所使用的工业技术。

一种技术称为选择性激光熔化（SLM）。通过SLM机器上的窗口，Straub指出一个10×10英寸的金属底板，旁边是一个铝粉盒。 “尝试举起一勺不锈钢粉末，”Straub说。

在制造过程中，将粉末推到板上，板上方的激光将粉末熔化在特定的位置，熔化的金属冷却并凝固。通过这种铺粉，融化和冷却而完成加工。 SLM机器是Straub每天监督的九台工业AM机器之一。

除了监督生产，Straub还在实验室推动AM研究。让他兴奋的一个领域是复合材料的研究，如碳纤维增强聚合物。 “每个人都认为复合材料是惊人的，它们更轻，更坚固，更坚硬，等等，但它们是制造噩梦，”他说。

Straub希望开发先进的AM工艺来制造复合材料，这些复合材料可以根据零件的功能进行定制，例如，零件的一个区域是硬的而另一个区域是柔性的。多功能部件也是另一个重点;他设想并且已经开始生产具有多种功能的AM结构，例如嵌入电子设备，RF天线或热交换器的AM结构。

“我们许多工程师都是直线思考;当我们考虑支架时，我们会想到桁架。但是当我们给拓扑优化软件提供约束时，就会出现这种情况，”他说。拿出一个小金属物体。它是一个光学支架，但支架的支撑看起来像金属树枝，有十字交叉和弯曲。 “有时大自然已经找到了最好的方法。”

大自然在Straub对AM的全景视野中扮演着重要角色。我们能否利用大自然为我们提供制造所需的产品？他想到美国宇航局将人类送往火星的使命。 “我们无法发送我们需要的所有东西;我们不会发送钢铁，”Straub说，“但我们是否可以使用实际的沙子，土壤，矿物来添加制造建筑物和结构？” “使用AM，我们可以使用相同的工具制作数千个零件。它开辟了按需建造的空间，”Straub说。

虽然Straub领导AM向前推进，但他也在与下一代分享他所学到的知识。在8月份麻省理工学院海狸工程暑期学院，Straub和他的同事开发了一个新单元，教孩子们使用3D打印机来做一些新的东西。商用3D打印机的热潮让孩子们对这项技术充满热情和熟悉。这种热情只会助长Straub认为的不可避免的增长型产业。

“AM是一个改变游戏规则的技术，”他说。 “这对世界产生了巨大的影响，它正在林肯实验室推出新的项目。目前阻止我们唯一目标的是我们的思想。”