Studerende på ETH Zurich har udviklet en laserpulverbedfusionsmaskine, der følger en cirkulær værktøjssti til at udskrive runde komponenter, som tillader behandling af flere metaller på én gang. Systemet reducerer fremstillingstiden markant og åbner nye muligheder for rumfart og industri. ETH har indgivet en patentansøgning om maskinen, og resultaterne offentliggøres iCIRP ANNALS.
I dag er næsten alle moderne raketmotorer afhængige af 3D -udskrivning for at maksimere deres ydeevne med stram kobling mellem struktur og funktion. Studerende ved Eth Zurich har nu bygget en høj - Speed Multi - Materialmetalprinter: En laserpulverbedfusionsmaskine, der roterer pulveraflejring og gasstrømdyser, mens den udskriver, hvilket betyder, at den kan behandle flere metaller samtidigt og uden proces død tid. Maskinen kunne grundlæggende ændre 3D -udskrivning af metaldele, hvilket resulterede i betydelige reduktioner i produktionstid og omkostninger.
Holdet af seks bachelorstuderende i deres femte og sjette semestre udviklede den nye maskine i det avancerede produktionslaboratorium under vejledning af ETH -professor Markus Bambach og seniorforsker Michael Tucker som en del af Focus Project Rapture. På kun ni måneder indså eleverne, byggede og testede deres idé. Maskinen er især rettet mod applikationer i rumfarten med omtrent cylindriske geometrier, såsom raketdyser og turbomachinery, men er også af bred interesse for maskinteknik.
At give adgang til avanceret teknologi
Project Lead Tucker forklarer, at projektet kom fra en meget specifik udfordring: udvikling af bi - væske - brændte raketdyser til Aris, det schweiziske akademiske ruminitiativ, der bygger sine egne raketter med visioner om at nå ud i rummet. I løbet af de næste par år sigter Aris at nå Kármán -linjen - den internationalt anerkendte grænse for rummet, der er sat i en højde af 100 kilometer, ud over hvilken atmosfæren er for tynd til at understøtte flyvning med fly uden særlig fremdrift.
For at modstå den intense varme og pres over en udvidet lancering, bør raketdyser ideelt være lavet af flere metaller. For eksempel kan deres interiør være lavet af varme - ledende kobber med integrerede kølekanaler og deres ydre af en varme - resistent nikkellegering. "For små spillere som vores studerende rakethold har denne slags multi - materialeteknologi op til nu været for kompliceret og for dyr, hvilket sætter den uden for rækkevidde," siger Tucker.
Rotations 3D -udskrivning
Hjertet i den nye maskine er en roterende platform, der muliggør en høj - hastighedsprintproces. I modsætning til konventionelle retlinjet laserpulverbedfusionsmaskiner, hvor et nyt lag pulver skal påføres, efter at hvert lag er smeltet, fungerer Rapture Machine ikke - Stop takket være sin roterende platform. Dette betyder, at pulver påføres og smeltes sammen med laseren samtidig, hvilket markant forbedrer produktiviteten. Dette reducerer fremstillingstiden for cylindriske komponenter med mere end to tredjedele.
"Denne proces er ideelt egnet til raketdyser, roterende motorer og mange andre komponenter i luftfartsindustrien," siger Tucker. ”De har typisk en stor diameter, men meget tynde vægge,” tilføjer han. Mens maskinen også er i stand til at fremstille ikke - aksymmetrisk eller endda arrays af dele, er den roterende metode især effektiv til at producere nøjagtigt denne geometri.
Udskrivning af to metaller samtidigt
Den roterende maskine kan behandle to forskellige metaller i en enkelt operation. Konventionelle systemer kræver flere trin og en meget større mængde metalpulver. Da adskillelse og genvinding af blandet pulver forbliver en åben udfordring, bliver meget af dette pulver affald. Den nye metode aflejrer kun det materiale, hvor det faktisk er nødvendigt inden for komponenten, hvilket reducerer affald.
Maskinen har en mekanisme, der blæser inert gas over det område, hvor pulveret smeltes sammen. Dette forhindrer, at komponenten oxideres, mens den udskrives. SOOT, SPatter og andet af - produkter ekstraheres systematisk via et afsætningsmarked. "Først undervurderede vi, i hvilket omfang gasstrømningsmekanismen påvirker produktkvaliteten," siger Tucker. "Nu ved vi, at det er afgørende." Takket være den roterende arkitektur i den nyudviklede maskine kan de lokale gasstrømforhold kontrolleres meget tættere end med en konventionel maskine.
Tilpassede snarere end standardkomponenter
Eleverne stod overfor en række tekniske udfordringer, når de udviklede den nye fusionsmaskine med laserpulver seng, hvoraf den ene involverede synkronisering af scanningslaseren med rotationen af gasindløbet og pulverforsyningen. Derudover, da mange af de dele, der er nødvendige til maskinen, ikke er kommercielt tilgængelige, designede teamet deres egne. Disse inkluderer en roterbar forbindelse til gasindløbet og et system, der automatisk genopfylder pulveret under drift.
Ikke desto mindre har teamet af studerende formået at bygge en maskine, der næsten ser klar til industriel anvendelse. For Tucker var dette et af højdepunkterne i fokusprojektet: "Det faktum, at et team af studerende udviklede og byggede en fungerende maskine på ni måneder, er temmelig bemærkelsesværdig."
Potentiale for rumfart, e - mobilitet og mere
Ud over konkrete applikationer til ARIS og for luftfartsindustrien generelt ser teamet potentielle anvendelser i andre sektorer, såsom i fly og gasturbiner, og for elektriske motorer, hvor ring - formede geometrier er normen. På grund af dets nyhed og enorme kommercielle potentiale blev der indgivet en patentansøgning af ETH, der dækkede den roterende multi - materiale laserpulverbedfusionsteknologi, som siden er blevet nomineret til ETH Spark Award.
De hidtil fremstillede komponenter med prototypen har en diameter på op til 20 centimeter. Forskerteamet ser nu på at skalere processen til højere hastigheder og større diametre, og de er i øjeblikket på udkig efter branchepartnere til at samarbejde med dem for at videreudvikle og implementere denne revolutionære teknologi.
