Studenter ved ETH Zurich har utviklet en fusjonsmaskin med laserpulverbed som følger en sirkulær verktøysti for å trykke runde komponenter, som tillater behandling av flere metaller samtidig. Systemet reduserer produksjonstiden betydelig og åpner for nye muligheter for luftfart og industri. ETH har sendt inn en patentsøknad for maskinen, og resultatene er publisert iCIRP Annals.
I dag er praktisk talt alle moderne rakettmotorer avhengige av 3D -utskrift for å maksimere ytelsen med tett kobling mellom struktur og funksjon. Studenter ved ETH Zurich har nå bygget en høy - hastighet multi - materialmetallskriver: en laserpulverbed -fusjonsmaskin som roterer pulveravsetning og gasstrømdyser mens den skriver ut, noe som betyr at den kan behandle flere metaller samtidig og uten å behandle død tid. Maskinen kan fundamentalt endre 3D -utskrift av metalldeler, noe som resulterer i betydelige reduksjoner i produksjonstid og kostnader.
Teamet av seks bachelorstudenter i sin femte og sjette semestre utviklet den nye maskinen i Advanced Manufacturing Lab under veiledning av ETH -professor Markus Bambach og seniorforsker Michael Tucker som en del av Focus Project Rapture. I løpet av bare ni måneder innså studentene, bygde og testet ideen sin. Maskinen er spesielt rettet mot applikasjoner i luftfart med omtrent sylindriske geometrier, for eksempel rakettdyser og turbomachineri, men er også av bred interesse for maskinteknikk.
Gir tilgang til avansert teknologi
Project Lead Tucker forklarer at prosjektet kom fra en veldig spesifikk utfordring: å utvikle BI - Liquid - drev rakettdyser for Aris, det sveitsiske akademiske rominitiativet, som bygger sine egne raketter med visjoner om å nå ut i verdensrommet. I løpet av de neste årene har Aris som mål å nå Kármán -linjen - den internasjonalt anerkjente grensen til rommet satt i en høyde av 100 kilometer, utover at atmosfæren er for tynn til å støtte fly av fly uten spesiell fremdrift.
For å motstå den intense varmen og trykket over en utvidet lansering, bør rakettdyser ideelt sett være laget av flere metaller. For eksempel kan interiøret deres være laget av varme - å utføre kobber med integrerte kjølekanaler og deres ytre av en varme - resistent nikkellegering. "For små spillere som vårt studentrakettlag, har denne typen multi - materialteknologi opp til nå å nå vært for kompleks og for dyr, og setter den utenfor rekkevidde," sier Tucker.
Rotasjon 3D -utskrift
Hjertet til den nye maskinen er en roterende plattform som muliggjør en høy - hastighetsutskriftsprosess. I motsetning til konvensjonelle rektilinære fusjonsmaskiner for laserpulver, der et nytt lag med pulver må påføres etter at hvert lag er smeltet, fungerer RAPTUTUR -maskinen ikke - stopp takket være den roterende plattformen. Dette betyr at pulver blir påført og smeltet sammen av laseren samtidig, noe som forbedrer produktiviteten betydelig. Dette reduserer produksjonstiden for sylindriske komponenter med mer enn to tredeler.
"Denne prosessen er ideell til rakettdyser, roterende motorer og mange andre komponenter i luftfartsindustrien," sier Tucker. "De har vanligvis en stor diameter, men veldig tynne vegger," legger han til. Mens maskinen også er i stand til å produsere ikke - aksymmetrisk eller til og med matriser av deler, er den roterende metoden spesielt effektiv for å produsere nettopp denne geometrien.
Skrive ut to metaller samtidig
Den roterende maskinen kan behandle to forskjellige metaller i en enkelt operasjon. Konvensjonelle systemer krever flere trinn og mye større mengde metallpulver. Ettersom separasjon og utvinning av blandet pulver fortsatt er en åpen utfordring, blir mye av dette pulveret avfall. Den nye metoden avsetter bare materialet der det faktisk er nødvendig i komponenten, og reduserer dermed avfall.
Maskinen har en mekanisme som blåser inert gass over området der pulveret smeltes sammen. Dette forhindrer komponenten i å oksidere mens den skrives ut. Sot, sprut og annet av - produkter blir systematisk trukket ut via et utløp. "Til å begynne med undervurderte vi i hvilken grad gasstrømningsmekanismen påvirker produktkvaliteten," sier Tucker. "Nå vet vi at det er avgjørende." Takket være den roterende arkitekturen til den nyutviklede maskinen, kan de lokale gasstrømningsforholdene kontrolleres mye tettere enn med en konvensjonell maskin.
Tilpassede snarere enn standardkomponenter
Studentene sto overfor en rekke tekniske utfordringer når de utviklet den nye fusjonsmaskinen Laser Powder Bed, hvorav den ene involverte synkroniseringen av skanningslaseren med rotasjonen av gassinnløpet og pulverforsyningen. I tillegg, ettersom mange av delene som trengs for maskinen ikke er kommersielt tilgjengelige, designet teamet sine egne. Disse inkluderer en roterbar tilkobling for gassinntaket og et system som automatisk fyller pulveret under drift.
Ikke desto mindre har teamet av studenter klart å bygge en maskin som nesten ser klar til industriell applikasjon. For Tucker var dette et av høydepunktene i fokusprosjektet: "Det faktum at et team av studenter utviklet og bygde en fungerende maskin på ni måneder er ganske bemerkelsesverdig."
Potensial for luftfart, e - mobilitet og mer
I tillegg til konkrete applikasjoner for ARIS og for luftfartsindustrien generelt, ser teamet potensielle applikasjoner i andre sektorer, for eksempel i fly- og gassturbiner, og for elektriske motorer der ring - -formede geometrier er normen. På grunn av sin nyhet og enorme kommersielle potensial, ble en patentsøknad innlevert av ETH som dekker Rotary Multi - Material Laser Powder Bed Fusion Technology, som siden er nominert til ETH Spark Award.
Komponentene produsert så langt med prototypen har en diameter på opptil 20 centimeter. Forskerteamet ser nå på å skalere prosessen til høyere hastigheter og større diametre, og de leter for tiden etter bransjepartnere for å samarbeide med dem for å videreutvikle og distribuere denne revolusjonerende teknologien.
