Gli studenti di ETH Zurich hanno sviluppato una macchina per fusione del letto a polvere laser che segue un percorso circolare per stampare componenti rotondi, che consente l'elaborazione di più metalli contemporaneamente. Il sistema riduce significativamente i tempi di produzione e apre nuove possibilità per aerospaziale e industria. ETH ha presentato una domanda di brevetto per la macchina e i risultati sono pubblicati inANNALS CIRP.
Oggi, praticamente tutti i moderni motori a razzo si basano sulla stampa 3D per massimizzare le loro prestazioni con un accoppiamento stretto tra struttura e funzione. Gli studenti di ETH Zurich hanno ora costruito una stampante in metallo materiale - di velocità La macchina potrebbe fondamentalmente cambiare la stampa 3D di parti metalliche, con conseguenti riduzioni significative dei tempi di produzione e dei costi.
Il team di sei studenti di Bachelor nel loro quinto e sesto semestre ha sviluppato la nuova macchina nel laboratorio di produzione avanzato sotto la guida del professor Markus Bambach e dell'anziano scienziato Michael Tucker come parte del Focus Project Rapture. In soli nove mesi, gli studenti hanno realizzato, costruito e testato la loro idea. La macchina è particolarmente rivolta alle applicazioni in aerospace con geometrie approssimativamente cilindriche, come ugelli a razzo e turbomachineria, ma è anche di grande interesse per l'ingegneria meccanica.
Fornendo l'accesso alla tecnologia avanzata
Project Lead Tucker spiega che il progetto è derivato da una sfida molto specifica: lo sviluppo di Bi - liquido - alimentato gli ugelli a razzo per Aris, la Swiss Academic Space Initiative, che sta costruendo i propri razzi con visioni di raggiungimento nello spazio. Entro i prossimi anni, Aris mira a raggiungere la linea Kármán - il confine dello spazio riconosciuto a livello internazionale fissato ad un'altitudine di 100 chilometri, oltre il quale l'atmosfera è troppo sottile per sostenere il volo da parte dell'aeromobile senza una propulsione speciale.
Al fine di resistere all'intenso calore e pressione su un lancio esteso, gli ugelli a razzo dovrebbero idealmente essere realizzati con più metalli. Ad esempio, il loro interno può essere fatto di calore - che conduce rame con canali di raffreddamento integrati e il loro esterno di una lega di nichel resistenti -}. "Per i piccoli giocatori come il nostro team Rocket per studenti, questo tipo di tecnologia di materiale multi - è stata finora troppo complessa e troppo costosa, mettendolo fuori portata", afferma Tucker.
Stampa 3D rotazionale
Il cuore della nuova macchina è una piattaforma rotante che consente un processo di stampa di velocità - elevato. A differenza delle macchine convenzionali di fusione rettilinea rettilinea a polvere laser, in cui è necessario applicare un nuovo strato di polvere dopo che ogni strato è stato sciolto, la macchina di rapimento funziona non - si ferma grazie alla sua piattaforma rotante. Ciò significa che la polvere viene applicata e fusa dal laser contemporaneamente, il che migliora significativamente la produttività. Ciò riduce il tempo di produzione per i componenti cilindrici di oltre due terzi.
"Questo processo è ideale per ugelli a razzo, motori rotanti e molti altri componenti nel settore aerospaziale", afferma Tucker. "In genere hanno un diametro di grandi dimensioni ma pareti molto sottili", aggiunge. Mentre la macchina è anche in grado di produrre array di parti non - o addirittura, il metodo rotante è particolarmente efficace per produrre proprio questa geometria.
Stampa due metalli contemporaneamente
La macchina a rotazione può elaborare due diversi metalli in un'unica operazione. I sistemi convenzionali richiedono diversi passaggi e una quantità molto maggiore di polvere di metallo. Poiché la separazione e il recupero della polvere mista rimane una sfida aperta, oggi gran parte di questa polvere diventa spreco. Il nuovo metodo deposita solo il materiale in cui è effettivamente necessario all'interno del componente, riducendo così i rifiuti.
La macchina presenta un meccanismo che soffia gas inerte sull'area in cui la polvere è fusa. Ciò impedisce al componente di ossidare mentre viene stampato. Fuliggine, schizzi e altri per i prodotti - vengono sistematicamente estratti tramite uno sbocco. "All'inizio abbiamo sottovalutato la misura in cui il meccanismo di flusso del gas influisce sulla qualità del prodotto", afferma Tucker. "Ora sappiamo che è cruciale." Grazie all'architettura a rotazione della macchina di recente sviluppo, le condizioni di flusso del gas locale possono essere controllate in modo molto più stretto che con una macchina convenzionale.
Componenti personalizzati piuttosto che standard
Gli studenti hanno affrontato una serie di sfide tecniche nello sviluppo della nuova macchina per fusione del letto in polvere laser, una delle quali ha comportato la sincronizzazione del laser a scansione con la rotazione dell'ingresso del gas e dell'offerta di polvere. Inoltre, poiché molte delle parti necessarie per la macchina non sono disponibili in commercio, il team ha progettato il proprio. Questi includono una connessione rotabile per l'ingresso del gas e un sistema che riempiono automaticamente la polvere durante il funzionamento.
Tuttavia, il team di studenti è riuscito a costruire una macchina che sembra quasi pronta per l'applicazione industriale. Per Tucker, questo è stato uno dei punti salienti del progetto Focus: "Il fatto che un team di studenti abbia sviluppato e costruito una macchina funzionante in nove mesi è piuttosto notevole".
Potenziale per aerospace, e - mobilità e altro ancora
Oltre alle applicazioni concrete per ARIS e per l'industria aerospaziale in generale, il team vede potenziali applicazioni in altri settori, come le turbine aeromobili e a gas, e per i motori elettrici in cui le geometrie a forma di anello - sono la norma. A causa della sua novità e enorme potenziale commerciale, un'applicazione di brevetto è stata presentata da ETH che copre il rotativo Multi - Materiale Tecnologia di fusione a polvere laser, che da allora è stata nominata per il premio ETH SPARK.
I componenti fabbricati finora con il prototipo hanno un diametro fino a 20 centimetri. Il team di ricerca sta ora cercando di ridimensionare il processo a velocità più elevate e diametri più grandi e attualmente sono alla ricerca di partner del settore per collaborare con loro per sviluppare e distribuire ulteriormente questa tecnologia rivoluzionaria.
