Die Schüler von ETH Zürich haben eine Laserpulverbettfusionsmaschine entwickelt, die einem kreisförmigen Werkzeugweg folgt, um runde Komponenten zu drucken, die die Verarbeitung mehrerer Metalle gleichzeitig ermöglicht. Das System verkürzt die Herstellungszeit erheblich und eröffnet neue Möglichkeiten für Luft- und Raumfahrt und Industrie. ETH hat eine Patentanmeldung für die Maschine eingereicht, und die Ergebnisse werden in der veröffentlichtCirp Annals.
Heutzutage verlassen sich praktisch alle modernen Raketenmotoren auf 3D -Druck, um ihre Leistung mit enger Kopplung zwischen Struktur und Funktion zu maximieren. Die Schüler von ETH Zürich haben jetzt einen hohen - Geschwindigkeits -Multi - Materialmetalldrucker: Eine Laserpulverbettfusionsmaschine, die die Ablagerung von Pulver und die Gasdüsen dreht, während sie druckt, drehen, was bedeutet, dass mehrere Metalle gleichzeitig und ohne verarbeitende Zeit verarbeitet werden können. Die Maschine könnte den 3D -Druck von Metallteilen grundlegend verändern, was zu einer erheblichen Verringerung der Produktionszeit und der Kosten führt.
Das Team von sechs Bachelor -Studenten im fünften und sechsten Semester entwickelte die neue Maschine im Advanced Manufacturing Lab unter der Leitung des ETH -Professors Markus Bambach und dem leitenden Wissenschaftler Michael Tucker als Teil des Focus Project Rapture. In nur neun Monaten erkannten, bauten und testeten die Schüler ihre Idee. Die Maschine richtet sich insbesondere auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt mit ungefähr zylindrischen Geometrien wie Raketendüsen und Turbomaschinerie, ist aber auch für die Maschinenbauung von großem Interesse.
Bereitstellung von Zugang zu fortschrittlicher Technologie
Project Lead Tucker erklärt, dass das Projekt aus einer ganz spezifischen Herausforderung entstand: die Entwicklung von Bi - Liquid - Brenne Raketendüsen für ARIS, die schweizerische akademische Space -Initiative, die seine eigenen Raketen mit Visionen des Raums aufbaut. Innerhalb der nächsten Jahre möchte ARIS die international anerkannte Grenze des Platzes in einer Höhe von 100 Kilometern, über die die Atmosphäre zu dünn ist, um den Flug durch Flugzeuge ohne besondere Antrieb zu stützen, die international anerkannte Grenze des Platzes zu erreichen, um den Flug durch Flugzeuge zu stützen, zu erreichen.
Um der intensiven Wärme und dem Druck über einen verlängerten Start standzuhalten, sollten Raketendüsen idealerweise aus mehreren Metallen bestehen. Zum Beispiel kann ihr Innenraum aus Wärme - Kupfer mit integrierten Kühlkanälen und deren Außenseite einer Wärme - resistente Nickellegierung hergestellt werden. "Für kleine Spieler wie unser Student Rocket Team war diese Art von Multi - Materialtechnologie bis jetzt zu komplex und zu teuer, um sie außer Reichweite zu bringen", sagt Tucker.
Rotations -3D -Druck
Das Herz der neuen Maschine ist eine rotierende Plattform, die einen hohen - -Speed -Druckprozess ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen geradlinigen Laserpulverbettfusionsmaschinen, bei denen nach dem Schmelzen jeder Schicht eine neue Pulverschicht aufgebracht werden muss, funktioniert die Entrückungsmaschine dank ihrer rotierenden Plattform nicht - Stopp. Dies bedeutet, dass das Pulver gleichzeitig vom Laser angewendet und verschmolzen wird, was die Produktivität erheblich verbessert. Dies verkürzt die Herstellungszeit für zylindrische Komponenten um mehr als zwei Drittel.
"Dieser Prozess eignet sich ideal für Raketendüsen, rotierende Motoren und viele andere Komponenten in der Luft- und Raumfahrtindustrie", sagt Tucker. "Sie haben normalerweise einen großen Durchmesser, aber sehr dünne Wände", fügt er hinzu. Während die Maschine auch nicht {- -Axisymmetrie oder sogar Arrays von Teilen erzeugen kann, ist die rotierende Methode besonders effektiv, um diese Geometrie genau zu erzeugen.
Zwei Metalle gleichzeitig drucken
Die rotierende Maschine kann zwei verschiedene Metalle in einem einzigen Betrieb verarbeiten. Herkömmliche Systeme erfordern mehrere Schritte und eine viel größere Menge Metallpulver. Da die Trennung und Wiederherstellung von gemischtem Pulver eine offene Herausforderung bleibt, wird heute ein Großteil dieses Pulvers zu Abfall. Die neue Methode legt das Material nur ein, wo es tatsächlich innerhalb der Komponente benötigt wird, wodurch der Abfall reduziert wird.
Die Maschine verfügt über einen Mechanismus, der ineres Gas über den Bereich bläst, in dem das Pulver verschmolzen ist. Dies verhindert, dass die Komponente während des Druckens oxidieren. Soot, Spritzer und andere durch - -Produkte werden systematisch über ein Auslass extrahiert. "Zuerst haben wir das Ausmaß unterschätzt, in dem der Gasflussmechanismus die Produktqualität beeinflusst", sagt Tucker. "Jetzt wissen wir, dass es entscheidend ist." Dank der rotierenden Architektur der neu entwickelten Maschine können die lokalen Gasströmungsbedingungen viel enger gesteuert werden als mit einer herkömmlichen Maschine.
Eher angepasst als Standardkomponenten
Die Schüler standen bei der Entwicklung der neuartigen Laserpulverbettfusionsmaschine vor einer Reihe technischer Herausforderungen, von denen eine die Synchronisation des Scanlasers mit der Rotation des Gaseinlasss und der Pulverversorgung umfasste. Da viele der für die Maschine benötigten Teile nicht im Handel erhältlich sind, hat das Team seine eigenen entworfen. Dazu gehören eine rotierbare Verbindung für den Gaseinlass und ein System, das das Pulver beim Betrieb automatisch nachfüllt.
Dennoch hat es dem Studententeam geschafft, eine Maschine zu bauen, die fast für die industrielle Anwendung vorbereitet ist. Für Tucker war dies einer der Höhepunkte des Fokus -Projekts: "Die Tatsache, dass ein Team von Studenten in neun Monaten eine funktionierende Maschine entwickelt und gebaut hat."
Potenzial für Luft- und Raumfahrt, E - Mobilität und mehr
Neben konkreten Anwendungen für ARIS und für die Luft- und Raumfahrtindustrie im Allgemeinen sieht das Team potenzielle Anwendungen in anderen Sektoren wie in Flugzeugen und Gasturbinen und für Elektromotoren, bei denen Ring - geformte Geometrien die Norm sind. Aufgrund seines Neuheit und des enormen kommerziellen Potenzials wurde eine Patentanmeldung eingereicht, indem die ETH die Rotary Multi - Materiallaserpulverbett -Fusionstechnologie, die seitdem für den ETH -Spark Award nominiert wurde, abdeckte.
Die bisher mit dem Prototyp hergestellten Komponenten haben einen Durchmesser von bis zu 20 Zentimetern. Das Forschungsteam sucht nun mit der Skalierung des Prozesses auf höhere Geschwindigkeiten und größere Durchmesser und sucht derzeit nach Industriepartnern, um mit ihnen zusammenzuarbeiten, um diese revolutionäre Technologie weiter zu entwickeln und einzusetzen.
