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(海底數千米：用於深海探索的 3D 列印技術
▲URI 深海機器人實驗室首席研究員 Brennan Phillips。圖片來源David Gruber。
國際上對太空旅行充滿熱情，但真正的最終邊界可能離家更近。海洋覆蓋了地球表面 70% 以上的面積，但美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 估計，只有不到 20% 的海洋得到充分探索。與太空探索的規模相比，海洋探索一直資金不足且不受重視。然而，儘管面臨挑戰，一些研究人員仍堅持不懈，並轉而使用易使用的 3D列印作為更深入研究的一種方式。
在羅德島大學海灣校區的海底機器人和成像實驗室，Brennan Phillips 教授和他的學生正在建造可以探索海面下數千米的工具。使用 Form 3+ 和 Form 3L 立體光刻 (SLA) 打印機，該實驗室可以 3D列印防水相機外殼和各種研究工具以供其工作使用。
承壓防水件
繪製海洋地圖需要製造不僅防水，而且即使在海洋表面的巨大壓力下也能保持防水的工具。Phillips和實驗室的學生開始設計一種相機的3D列印外殼，即使在壓力下也能使設備保持完全乾燥，而且在裝設後可以輕鬆拆卸以檢索數據。經過數十次迭代後，該團隊決定將這種圓柱形設計分兩部分印在透明樹脂的 Form 3+ 上。外殼的內部結構固定著電路板，並填充了環氧樹脂，使相機鏡頭懸浮在空中。在鏡頭下方都是環氧樹脂，透過外殼設計中內置的舷窗注入。
「擺在我們面前的挑戰是，『我們能製造出最小、最便宜的深海相機是什麼？』所以現在我們已經列印了幾十個不同形狀的東西，因為它是可列印的東西，我們可以製作任何我們想要的形狀。我們可以快速設計一些東西，增強電子設備，優化尺寸，然後澆注環氧樹脂，」Phillips 說。
3D列印使實驗室能夠徹底迭代而不用擔心預算用盡，並且引入了比機械加工更多的設計靈活性。
▲DEEPi 相機設計採用混合 3D列印模具和O形環密封設計，以及用於電路板組件的環氧樹脂填充體積和外部透明玻璃視埠（美國專利 #16/920,577）（圖片來源：Brennan Phillips） .
該實驗室使用壓力罐模擬深海環境。Phillips和他的學生確定了採用環氧樹脂的兩部分設計後，他們將物件放入壓力室中，增加壓力以模擬真實的深海環境。Phillips說：「這是一個完整的實驗，我開始把它們送下去，它比我們想像的要遠，甚至有數千米。」
為什麼 SLA 非常適合深海機器人
在評估不同的 3D列印機時，精度和材料特性是 Phillips 實驗室的首要考慮因素。SLA 3D列印部件的各向同性特性意味著它們不是多孔的，並且不會像熔融沈積成型 (FDM) 列印部件那樣漏水。SLA物件的光滑表面處理還確保功能組件（如兩部分圓柱形外殼）可以裝配在一起。
精度和高解析度也有助於實現防水性——極其嚴格的公差和小特徵尺寸允許用戶將螺紋直接列印到材料中，Phillips的實驗室對兩部分外殼和作為進一步連接安全的螺釘皆進行了此操作。
▲一個完整的 3D列印壓力外殼組件，能夠保護電子設備免受超過 1000 米深度海水的影響。O 形密封圈直接印在零件上，外殼使用手動擰緊的擋板密封。照片和設計來源：Breanna Motsenbocker
「你需要百分百填充的 SLA 部件—使用 FDM，你也許可以從中獲得 IP 等級，但你無法承受超過幾米的壓力。其次，您會需要解決方案，以便兩個部件之間的 O 形圈完全密封。這些部件直接從列印機出來，我們可能會稍微打磨一下，然後調整它們的方向，使關鍵表面光滑，我們得到完美的密封，」Phillips 說。「第三個原因是 SLA 材料的材料性能要好得多——通常沒有可比性。它們在降伏強度方面要好得多。所有的模量都比我們發現的任何其他材料都要好。」
Formlabs 列印機的準確性和材料可用性使實驗室的主要工作「防水深海圍欄」在陸地和海洋上大放異彩。2020年1月，Phillips和他的學生發布了他們使用 Form 2 穩定裝置進行 3D列印的過程。他們能夠列印出相同的外殼，與陸地列印的對應物沒有明顯差異，這意味著這些設備可以被列印並安裝於世界各地的船上。
採用 Form 3L
當 Formlabs 宣布推出 Form 3L 時，Phillips和該實驗室率先投入其中。「我們是 Form 3L 的首批使用者之一，」Phillips 說。Form 3L的大尺寸使他們能夠試驗更大的水下設計，並透過創新的研究工具改進其他實驗室功能。
為了在水下部署這些外殼和其他監控設備，實驗室必須使用和維護數千英尺的細光纖電纜。為了避免纏結或打結，他們首先使用改造後的自行車輪子將光纖引導到船的一側。然而有了專為大型物件設計的SLA列印機，他們能夠製作原型設計以減小尺寸並提高此過程的性能。
▲3D 列印的「滑道」有助於將光纜平穩地引導到船的側面，而不會纏結或折斷。（圖片來源：Brennan Philips）
「對於這條釣魚線，我們不想使用滑輪或輪子。我們需要一張滑道。所以我們已經列印滑道的大約三四次迭代。它很大，很好，很光滑，這種光滑有助於細線，」Phillips 說。用透明樹脂印在 Form 3L 上列印的滑道減少了小心收起釣魚線以供重複使用所需的時間，並減少了他們需要更換設備的次數。
光纖創新
釣魚線雖然繞起來很費力，但並不是最脆弱的材料。然而，光纖電纜不能以同樣的方式處理，並且在損壞時要貴得多。Phillips的實驗室與位於波塔基特羅德島的 Nautilus Defense LL 合作，率先發明了一種新型光纖釣魚線，即 FOFL（美國專利申請中）。「光纖為我們提供了乙太網、現場直播影片之類的東西。使用長距離的光電銅纜很難做到這一點。」Phillips說。
但是光纖釣魚線本身並不能很好地使用——它需要一個機械端接點，這樣能夠在不破壞光纖芯的情況下拉動它。由於光纖電纜不能像其他更耐用的線路那樣打結或操作，因此實驗室必須為電纜末端發明一種固定裝置。
使用 Formlabs 的高解析度 SLA 列印機可實現的具有嚴格公差的 3D列印物件，釣魚線的承重外部編織物可以與易碎的光纖芯分離。使用注入的環氧樹脂，編織線粘附在 3D列印夾具上，光纖穿過金屬分叉管，可以連接到電腦以接收光纖夾帶的資訊。
▲SLA列印物件用作「光纖釣魚線」或 FOFL（美國專利申請中）的機械端接，將承重外部編織層與脆弱的光纖芯分開。圖片來源Brennan Phillips
「這種附著力很強，至少能承受一百磅。我們申請了專利，我們還以開放獲取的形式發布了它，」Phillips 說。「如果沒有 3D列印，在正常的製造過程中，這些每次可能花費 3,000 或 4,000 美元，我們經歷了幾次迭代。我認為沒有人這樣做，因為生產路徑太昂貴了。正是 Formlabs列印機等快速原型製作方法與新光纖線的結合，才促成了這樣的新想法，」Phillips 說。
以更低的成本 3D 列印密封件
在 3D列印出現之前，這些工具的開發成本很高，阻礙研究人員進行必要的設計更改，並阻止開發資金不足的項目。海底機器人和成像實驗室是全球「深而可負擔價格」運動的一部分，旨在使科學民主化並開放獲取這些技術的途徑，從而更好地了解我們周圍的海洋。「我開始3D列印集成O形密封圈的端蓋，並且成功了。如果你加工這個，即使不是數千美元，也需要數百美元，而且圖紙必須是定點的。有了這些列印機，我可以打印出三到四件，並密合得到恰到好處，材料成本大概為 50 美元，」Phillips 說。
實驗室團隊並沒有將自己局限於只列印終端部件；使用透明樹脂，他們也鎖定了列印模具的成功工作流程。最終結果是使用 3D 列印模具快速拼接水下電纜的優化方法。
多樣化的用例
在 Phillips的實驗室中，Formlabs列印機被用於製作原型、創建終端產品、快速加工、夾具和固定裝置，甚至是醫療設備。即使在一個小型研究實驗室中，Phillips和學生的創新精神也在不斷推動應用和機會。
在 COVID-19 大流行期間，Phillips和他的學生意識到他們有能力真正改變羅德島的大流行應對措施。經過廣泛的測試和詳盡的研究，該實驗室能夠發布用於3D列印呼吸器部件的 Formlabs 手術導板樹脂的化學排氣結果。他們不僅完成了科學出版的壯舉，而且還提交了 FDA 和緊急使用授權 (EUA) 批准。
「在疫情大流行期間，製造商做出了巨大的努力，我們希望真正參與進來，並在我們可以做最好的事情的地方提供幫助。由於這些列印機的質量以及 手術導板樹脂的存在，我們可以做出更高水平的貢獻，」Phillips 說。
▲與布朗大學和羅德島醫院的研究人員合作設計的呼吸機「Y 型分離器」部件在 COVID-19 大流行的早期階段使用手術導板樹脂進行了 3D列印。圖片來源：Brennan Phillips
深海民主化
以較低成本製造這些部件不僅有利於實驗室的預算，還意味著學習（以及嘗試新想法的固有失敗階段）不會阻止學生使用這些機器。首次設計零件的本科生可以使用該技術並學習 3D列印，而不必擔心任何錯誤會耗費寶貴的資源。
大二 URI 學生每年都有機會設計和 3D列印壓力外殼，在學習寶貴的新 CAD 和 3D列印技能的同時為研究做出貢獻。「在這些3D列印機出現之前，學生在成為研究生之前不會設計或製作自己的水下外殼，或者在行業中可以接受所有培訓，因為成本和機會非常有限。但這些列印機打開了大門—我讓一個高中生製作了一個壓力外殼，」Phillips說。
這些機會不僅限於美國的大學生——Phillips是國際社團的一員，該社團致力於改善世界各地發展中沿海國家深海研究工具的可及性和可負擔性。「我們正在為想要在深海中進行自己的探索的國家進行能力建設。金錢是一種限制，培訓是一種限制，但這些方法有可能真正打開它，並使深海探索民主化，」Phillips說。