改變遊戲規則：TUM Boring 如何為其隧道鑽挖機列印堅固零件

▲ 2023 年 4 月，德克薩斯州巴斯特羅普的 TUM Boring 團隊。

TUM Boring是慕尼黑工業大學的一個學生組織，由來自 16 個以上國家的 60 多名學生組成。該小組於 2020 年齊聚一堂，參加了伊隆·馬斯克 (Elon Musk) 的鑽洞公司 (TBC) 舉辦的 2021 年 Not-a-Boring 競賽。 

這個由學生領導的團隊致力於未來的交通，旨在打造世界上速度最快的微型隧道鑽挖機 (TBM) 之一，以推動隧道產業的創新。該競賽為了解他們的專案與世界各地的創新進行比較提供了一個完美的場所。 

在 2021 年贏得比賽後，TUM Boring 團隊開始著手於 Form 3+ 雷射光固化 (SLA) 列印機，並開始使用 Fuse 1+ 30W 選擇性雷射燒結 (SLS) 列印部件。新獲得的 3D 列印技術顯著改善了團隊的工作流程。從快速原型製作到終端使用物件，Form 3+ 改變了 TUM Boring 的日常運營，並幫助團隊贏得了 2023 年 4 月的第二屆 Not-a-Boring 競賽。

本篇文章將帶您了解 TUM Boring 如何利用 3D 列印為其隧道鑽挖機製造堅固耐用的零件，並連續第二年擊敗競爭對手，奪得一等獎。

使用 SLA 3D 列印加速設計迭代

將 Form 3+ 引入內部後，使 TUM Boring 團隊能夠顯著提高他們的迭代能力。為了解如何連接 TBM 內的不同管道，團隊轉向 Form 3+，使用灰色樹脂列印不同概念想法的微型原型。這使他們能夠近距離觀察機械結構，而無需立即在實際大小的機器上工作，從而提高了效率並節省了時間。

「我們可以把一些東西湊合在一起，等到傍晚時我們已經有了一個可以討論的原型。在此基礎上，我們可以進行迭代。」-Tom Luca Reinhardt，TUM Boring 執行董事會成員兼機械工程團隊聯席負責人

學生們還能夠對 3D 列印的刀輪組件進行多輪功能測試。使用彈性80A 樹脂列印結構略有不同的刀輪微縮模型，使團隊能夠比簡單地透過電腦計算輔助設計程序更好地可視化產品。Tom Luca Reinhardt 肯定地說，「我們有 CAD 程序，但它只能向您展示這麼多。將實物產品放在我們手中並從不同的角度看待它總是更好。」

▲SLA 3D 列印使團隊能夠可視化不同的概念并快速順利地進行迭代。

使用 SLA 製造終端用途物件：高效且節省成本

除了原型製作，TUM Boring 還使用 SLA 技術列印終端用途物件，例如螺絲孔蓋和傳感器支架。

在 TBM 的外殼上，有幾個螺絲孔需要易於操作，以防刀盤需要拆卸，但也需被覆蓋以保護機器免受灰塵和粘土的影響。3D 列印螺絲孔蓋可以經濟高效地生產小批量定制零件，這些零件可以輕鬆拆卸，同時還能保護機器免受碎屑侵害。

Reinhardt 指出，這是「相當大的效率提升」。在嘗試了不同的工程材料後，該團隊決定使用無需額外後處理且具有出色表面光潔度特點的灰色樹脂。 

▲螺絲孔蓋採用灰色樹脂列印，便於操作螺絲，節省團隊維護時間。

SLA 3D 列印的小批量生產工作流程、材料的多功能性和卓越的表面光潔度也支持其他類型的終端用途應用。TBM 有大量傳感器，在操作過程中它們不會偏離對齊是至關重要的。這意味著每個傳感器都需要一個定制的安裝座，該安裝座的強度足以承受壓力並且不會在撞擊時破裂。

以前由第三方製造商使用不銹鋼生產，該團隊透過使用高韌性 2000 樹脂在 Form 3+ 上列印傳感器支架來優化此過程。外包零件通常需要幾天甚至幾週的時間，而且成本遠高於內部製造。透過使用 3D 列印，該團隊現在只需將文件發送到 Form 3+，並在大約四個半小時內列印出支架。 

「透過 3D 列印，我們只需上傳 STL 文件，幾個小時內我們就可以完成支架並安裝傳感器。」-Tom Luca Reinhardt，TUM Boring 執行董事會成員兼機械工程團隊聯席負責人

在團隊嘗試的樹脂中，高韌性 2000 樹脂因其堅固性和可靠性而成為這一特定應用的明顯贏家。事實上，在進行一些測試後，TUM Boring 團隊確定「該材料可以承受一些負載」並且不會因撞擊而斷裂。

SLS 3D 列印切削工具在高壓下進行應力測試

除了 SLA 零件，TUM Boring 還使用SLS列印刀具測試了不同的切割輪結構。Fuse 1+ 30W 使團隊能夠在為競賽建立最佳幾何結構之前進行不同的迭代。選定的設計包括邊緣更鋒利的切削工具，以平滑地切割地面，以及平刃工具，以在鑽孔過程中承受更大的阻力。然後將最終幾何形狀發送給第三方製造商並用不銹鋼生產。

▲事實證明，尼龍 11 CF 粉末（左）比團隊預期的要堅固得多，並允許他們在不銹鋼部件（右）到達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，他們發現尼龍 11 CF 粉末是該應用的最佳材料，因為耐用性、硬度和抗衝擊性是關鍵要求。在功能測試期間，這些物件會承受很大的壓力和衝擊力。「我們用這些物件對地面施加了很大的力，我們能夠移動我們 15 噸的容器，我們沒有看到它們有任何破損，」Reinhardt補充道。事實上，當這些非常輕的物件經受住力的考驗時，團隊感到驚喜；沒有裂縫或破損的跡象。 

在進行了幾次測試後，該團隊觀察到碳纖維列印刀具上有輕微磨損跡象，但比團隊預期的要少得多。此外，在比賽結束後，他們注意到碳纖維原型和最終使用的不銹鋼部件具有大致相同的磨損和損壞跡象，顯示出尼龍 11 CF 粉末的強度和耐用性。「這讓很多成員感到驚訝，尤其是那些不相信 3D 列印，或者不太信任 3D 列印過程的成員。所以，證明他們錯了是件好事，」Reinhardt說。

▲碳纖維 3D 列印原型（如圖所示）和最終使用的不銹鋼部件具有大致相同的磨損和損壞跡象。

在隧道產業中，挖掘出的土粘在鑽挖機的切割輪上會造成嚴重問題。土會變硬並完全卡住車輪，導致隧道開挖過程嚴重延誤。此外，如果刀具發生腐蝕，則會影響機器的質量和精度。在如此苛刻的環境下，尼龍 11 CF 粉末的耐腐蝕性和抗粘性是一項意想不到且影響深遠的優勢。

重新定義隧道產業的效率

「這次經歷給了我們很大的信心，讓我們在未來嘗試不同的東西，也更多地依賴 3D 列印。」-Tom Luca Reinhardt，TUM Boring 執行董事會成員兼機械工程團隊聯席負責人

在連續兩次獲勝後，該團隊是否會參加下一屆 The Boring Company （鑽洞公司）的 Not-a-Boring 比賽尚未確定。如果有一件事是肯定的，那就是該團隊將努力繼續開發 3D 列印的用途，並將其納入他們未來的項目中。