Studenten bij ETH Zürich hebben een laserpoederbed -fusiemachine ontwikkeld die een cirkelvormig gereedschapspad volgt om ronde componenten af te drukken, waardoor meerdere metalen tegelijk kunnen worden verwerkt. Het systeem vermindert de productietijd aanzienlijk en opent nieuwe mogelijkheden voor ruimtevaart en industrie. ETH heeft een patentaanvraag voor de machine ingediend en de resultaten worden gepubliceerd in deCIRP Annals.
Tegenwoordig vertrouwen vrijwel alle moderne raketmotoren op 3D -printen om hun prestaties te maximaliseren met strakke koppeling tussen structuur en functie. Studenten bij ETH Zürich hebben nu een hoge - snelheid multi - materiaalmetaalprinter gebouwd: een laserpoederbed fusiemachine die de poederafzetting en gasstroommondstukken roteert terwijl deze afdrukt, wat betekent dat het verschillende metalen tegelijkertijd en zonder procesdode tijd kan verwerken. De machine zou de 3D -afdruk van metalen onderdelen fundamenteel kunnen veranderen, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de productietijd en -kosten.
Het team van zes bachelorstudenten in hun vijfde en zesde semesters ontwikkelde de nieuwe machine in het Advanced Manufacturing Lab onder begeleiding van ETH -professor Markus Bambach en senior wetenschapper Michael Tucker als onderdeel van de Focus Project Rapture. In slechts negen maanden realiseerden de studenten zich, bouwden en testten ze hun idee. De machine is met name gericht op toepassingen in de ruimtevaart met ongeveer cilindrische geometrieën, zoals raketmondstukken en turbomachines, maar is ook van breed belang voor werktuigbouwkunde.
Toegang bieden tot geavanceerde technologie
Project Lead Tucker legt uit dat het project uit een zeer specifieke uitdaging is ontstaan: het ontwikkelen van bi - vloeistof - aangedreven raketmondstukken voor ARIS, het Zwitserse Academic Space Initiative, dat zijn eigen raketten bouwt met visioenen in de ruimte. Binnen de komende jaren wil ARIS de Kármán -lijn bereiken - De internationaal erkende grens van de ruimte die is ingesteld op een hoogte van 100 kilometer, waarachter de atmosfeer te dun is om vluchten per vliegtuig zonder speciale voortstuwing te ondersteunen.
Om de intense warmte en druk over een uitgebreide lancering te weerstaan, moeten raketmondstukken idealiter van meerdere metalen worden gemaakt. Hun interieur kan bijvoorbeeld worden gemaakt van warmte - die koper uitvoert met geïntegreerde koelkanalen en hun buitenkant van een hitte - resistente nikkellegering. "Voor kleine spelers zoals ons Student Rocket -team, is dit soort multi - materiaaltechnologie tot nu toe te complex en te duur geweest,", zegt Tucker.
Rotatie 3D -printen
Het hart van de nieuwe machine is een roterend platform dat een hoog - snelheidsafdrukproces mogelijk maakt. In tegenstelling tot conventionele rechtlijnige laserpoederbed fusiemachines, waarbij een nieuwe laag poeder moet worden aangebracht nadat elke laag is gesmolten, werkt de Rapture -machine niet - stop dankzij het roterende platform. Dit betekent dat poeder tegelijkertijd door de laser wordt toegepast en gefuseerd, wat de productiviteit aanzienlijk verbetert. Dit vermindert de productietijd voor cilindrische componenten met meer dan tweederde.
"Dit proces is ideaal geschikt voor raketmondstukken, roterende motoren en vele andere componenten in de ruimtevaartindustrie", zegt Tucker. "Ze hebben meestal een grote diameter maar zeer dunne wanden," voegt hij eraan toe. Hoewel de machine ook in staat is om niet -- asymmetrische of zelfs arrays van onderdelen te produceren, is de roterende methode bijzonder effectief om precies deze geometrie te produceren.
Twee metalen tegelijkertijd afdrukken
De roterende machine kan twee verschillende metalen verwerken in een enkele bewerking. Conventionele systemen vereisen verschillende stappen en een veel grotere hoeveelheid metaalpoeder. Omdat scheiding en herstel van gemengd poeder een open uitdaging blijven, wordt veel van dit poeder tegenwoordig verspilling. De nieuwe methode stort alleen het materiaal af waar het daadwerkelijk nodig is binnen de component, waardoor afval wordt verminderd.
De machine heeft een mechanisme dat inert gas blaast over het gebied waar het poeder is versmolten. Dit voorkomt dat de component oxideert terwijl het wordt afgedrukt. Roet, spat en andere door - producten worden systematisch geëxtraheerd via een stopcontact. "In eerste instantie hebben we de mate onderschat waarin het gasstroommechanisme de productkwaliteit beïnvloedt", zegt Tucker. "Nu weten we dat het cruciaal is." Dankzij de roterende architectuur van de nieuw ontwikkelde machine kunnen de lokale gasstroomomstandigheden veel strakker worden geregeld dan met een conventionele machine.
Aangepaste in plaats van standaardcomponenten
De studenten werden geconfronteerd met een aantal technische uitdagingen bij het ontwikkelen van de nieuwe laserpoederbedfusie -machine, waarvan er één de synchronisatie van de scanlaser met de rotatie van de gasinlaat en poedervoorziening betrof. Bovendien, omdat veel van de onderdelen die nodig zijn voor de machine niet commercieel verkrijgbaar zijn, ontwierp het team hun eigen team. Deze omvatten een roteerbare verbinding voor de gasinlaat en een systeem dat het poeder tijdens de werking automatisch bijvult.
Desalniettemin is het team van studenten erin geslaagd om een machine te bouwen die bijna klaar lijkt voor industriële toepassing. Voor Tucker was dit een van de hoogtepunten van het Focus -project: "Het feit dat een team van studenten in negen maanden een functionerende machine heeft ontwikkeld en gebouwd, is behoorlijk opmerkelijk."
Potentieel voor ruimtevaart, e - mobiliteit en meer
Naast concrete toepassingen voor ARIS en voor de ruimtevaartindustrie in het algemeen, ziet het team potentiële toepassingen in andere sectoren, zoals in vliegtuigen en gasturbines, en voor elektrische motoren waar ring - gevormde geometrieën de norm zijn. Vanwege zijn nieuwheid en enorme commerciële potentieel werd een patentaanvraag ingediend door ETH over de Rotary Multi - materiaal laserpoederbed fusietechnologie, die sindsdien is genomineerd voor de ETH Spark Award.
De componenten die tot nu toe met het prototype zijn vervaardigd, hebben een diameter van maximaal 20 centimeter. Het onderzoeksteam kijkt nu naar het schalen van het proces naar hogere snelheden en grotere diameters, en ze zijn momenteel op zoek naar industriële partners om met hen samen te werken om deze revolutionaire technologie verder te ontwikkelen en in te zetten.
