Studenter på ETH Zürich har utvecklat en laserpulverbäddfusionsmaskin som följer en cirkulär verktygsväg för att skriva ut runda komponenter, vilket möjliggör bearbetning av flera metaller på en gång. Systemet minskar tillverkningstiden avsevärt och öppnar nya möjligheter för flyg- och industrin. ETH har lämnat in en patentansökan för maskinen, och resultaten publiceras iCIRP Annals.
Idag förlitar praktiskt taget alla moderna raketmotorer 3D -utskrift för att maximera deras prestanda med snäv koppling mellan struktur och funktion. Studenter på Eth Zürich har nu byggt en hög - Speed Multi - Material Metal Printer: En laserpulverbäddfusionsmaskin som roterar pulveravlagring och gasflödesmunstycken medan det skrivs ut, vilket innebär att den kan bearbeta flera metaller samtidigt och utan processdöd. Maskinen kan i grunden ändra 3D -utskrift av metalldelar, vilket resulterar i betydande minskningar av produktionstid och kostnad.
Teamet med sex kandidatexamen i deras femte och sjätte semestrar utvecklade den nya maskinen i det avancerade tillverkningslaboratoriet under ledning av ETH -professor Markus Bambach och seniorforskare Michael Tucker som en del av Focus Project Rapture. På bara nio månader insåg eleverna och testade sin idé. Maskinen är särskilt inriktad på applikationer inom flyg- och rymd med ungefär cylindriska geometrier, såsom raketmunstycken och turbomachiner, men är också av ett stort intresse för maskinteknik.
Ger tillgång till avancerad teknik
Project Lead Tucker förklarar att projektet kom från en mycket specifik utmaning: att utveckla Bi - Liquid - drivna raketmunstycken för ARIS, det schweiziska akademiska rymdinitiativet, som bygger sina egna raketer med visioner om att nå ut i rymden. Inom de närmaste åren syftar ARIS till att nå Kármán -linjen - den internationellt erkända gränsen för rymden inställd på en höjd av 100 kilometer, utöver vilken atmosfären är för tunn för att stödja flygning med flygplan utan speciell framdrivning.
För att motstå den intensiva värmen och trycket över en utökad lansering bör raketmunstycken helst göras av flera metaller. Till exempel kan deras interiör vara tillverkad av värme - som leder koppar med integrerade kylkanaler och deras yttre av en värme - resistent nickellegering. "För små spelare som vårt Student Rocket -team har denna typ av multi - materialteknologi hittills varit för komplex och för dyrt, vilket sätter det utom räckhåll," säger Tucker.
Rotational 3D -utskrift
Hjärtat i den nya maskinen är en roterande plattform som möjliggör en hög - hastighetsutskriftsprocess. Till skillnad från konventionella rektilinära laserpulverbäddfusionsmaskiner, där ett nytt lager pulver måste appliceras efter att varje lager har smälts, fungerar Rapture Machine Non - Stopp tack vare sin roterande plattform. Detta innebär att pulver appliceras och smälts av lasern samtidigt, vilket avsevärt förbättrar produktiviteten. Detta minskar tillverkningstiden för cylindriska komponenter med mer än två tredjedelar.
"Denna process är idealisk lämpad för raketmunstycken, roterande motorer och många andra komponenter inom flygindustrin," säger Tucker. "De har vanligtvis en stor diameter men mycket tunna väggar," tillägger han. Medan maskinen också kan producera icke - axymmetriska eller till och med matriser av delar, är den roterande metoden särskilt effektiv för att producera exakt denna geometri.
Skriva ut två metaller samtidigt
Den roterande maskinen kan bearbeta två olika metaller i en enda operation. Konventionella system kräver flera steg och en mycket större mängd metallpulver. Eftersom separering och återhämtning av blandat pulver förblir en öppen utmaning, blir idag mycket av detta pulver avfall. Den nya metoden sätter bara in materialet där det faktiskt behövs i komponenten och därmed minskar avfallet.
Maskinen har en mekanism som blåser inert gas över området där pulvret är smält. Detta förhindrar att komponenten oxideras medan den skrivs ut. Soot, sprut och andra av - Produkter extraheras systematiskt via ett utlopp. "Först underskattade vi i vilken utsträckning gasflödesmekanismen påverkar produktkvaliteten," säger Tucker. "Nu vet vi att det är avgörande." Tack vare den nyutvecklade maskinens roterande arkitektur kan de lokala gasflödesförhållandena styras mycket tätare än med en konventionell maskin.
Anpassade snarare än standardkomponenter
Studenterna mötte ett antal tekniska utmaningar när de utvecklade den nya laserpulverbäddsmaskinen, varav en involverade synkroniseringen av skanningslasern med rotationen av gasinloppet och pulverförsörjningen. Eftersom många av de delar som behövs för maskinen inte är kommersiellt tillgängliga, designade teamet sina egna. Dessa inkluderar en roterbar anslutning för gasinloppet och ett system som automatiskt fyller på pulvret under drift.
Ändå har teamet av studenter lyckats bygga en maskin som nästan ser redo för industriell applikation. För Tucker var detta en av höjdpunkterna i fokusprojektet: "Det faktum att ett team av studenter utvecklade och byggde en fungerande maskin på nio månader är ganska anmärkningsvärd."
Potential för flyg-, E - rörlighet och mer
Förutom konkreta applikationer för ARI: er och för flygindustrin i allmänhet ser teamet potentiella tillämpningar i andra sektorer, till exempel i flygplan och gasturbiner, och för elmotorer där ring - formade geometrier är normen. På grund av dess nyhet och enorma kommersiella potential inlämnades en patentansökan av ETH som täcker Rotary Multi - Material Laser Powder Bed Fusion Technology, som sedan har nominerats till ETH Spark Award.
De komponenter som hittills tillverkats med prototypen har en diameter på upp till 20 centimeter. Forskningsteamet tittar nu på att skala processen till högre hastigheter och större diametrar, och de letar för närvarande efter branschpartners för att samarbeta med dem för att vidareutveckla och distribuera denna revolutionära teknik.
