新突破！蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院學(xué)生開發(fā)出旋轉(zhuǎn)式多金屬3D打印工藝

2025年9月4日，南極熊獲悉，在弗勞恩霍夫IGCV中心舉辦的首屆多金屬粉末床熔合技術(shù)研討會(huì)上，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)生展示了一款新型激光粉末床熔合設(shè)備，該設(shè)備可沿著圓形刀具路徑打印圓形部件，從而能夠同時(shí)加工多種金屬。這套增材系統(tǒng)顯著縮短了制造時(shí)間，并為航空航天和工業(yè)領(lǐng)域開辟了新的可能性。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院已為該設(shè)備提交了專利申請(qǐng)。

△視頻來源：Rapture / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

得益于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，新型3D金屬打印機(jī)能夠一步完成金屬粉末的沉積和熔合，從而比傳統(tǒng)機(jī)器運(yùn)行速度更快。這套系統(tǒng)可一次性處理兩種不同的金屬，從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程并最大限度地減少材料浪費(fèi)。原型機(jī)僅用了九個(gè)月就開發(fā)完成，并有望應(yīng)用于航空航天和推進(jìn)技術(shù)——事實(shí)上，任何需要輕質(zhì)、大致圓柱形物體的領(lǐng)域，都適用。

△新型3D打印機(jī)允許在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上通過激光同時(shí)熔合兩種不同的材料。（圖片來源：Michael Tucker / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

多金屬PBF 3D打印已成為增材制造領(lǐng)域的熱門話題，因?yàn)槎喾N新方法開辟了前所未有的制造可能性，而增材制造（AM）是唯一脫穎而出的生產(chǎn)方法。如今，幾乎所有現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都依賴3D打印來最大限度地提高性能，結(jié)構(gòu)與功能緊密結(jié)合。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)生現(xiàn)已研制出一臺(tái)高速多材料金屬打印機(jī)：一臺(tái)激光動(dòng)力床熔合機(jī)，可在打印的同時(shí)旋轉(zhuǎn)粉末沉積和氣流噴嘴，這意味著它可以同時(shí)處理多種金屬，且沒有工藝停滯時(shí)間。這臺(tái)機(jī)器將從根本上改變金屬零件的3D打印，從而顯著縮短生產(chǎn)時(shí)間和降低成本。

這支由六名第五和第六學(xué)期本科生組成的團(tuán)隊(duì)，在聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）Markus Bambach教授和高級(jí)科學(xué)家Michael Tucker的指導(dǎo)下，在先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了這臺(tái)新機(jī)器，這是“RAPTURE”焦點(diǎn)項(xiàng)目的一部分。僅用九個(gè)月的時(shí)間，學(xué)生們就將他們的想法付諸實(shí)踐、制造并測(cè)試。裝置主要針對(duì)航空航天領(lǐng)域中近似圓柱形幾何形狀的應(yīng)用，例如火箭噴嘴和渦輪機(jī)械，但在機(jī)械工程領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。

提供先進(jìn)技術(shù)

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人塔克解釋說，本項(xiàng)目源于一個(gè)非常特殊的挑戰(zhàn)：為瑞士學(xué)術(shù)太空計(jì)劃ARIS（ARIS）開發(fā)雙液體燃料火箭噴嘴。ARIS正在自主研發(fā)用于太空飛行的火箭。未來幾年內(nèi)，ARIS的目標(biāo)是突破卡門線——國(guó)際公認(rèn)的太空邊界，邊界高度為100公里。超過這一高度，大氣層將變得非常稀薄，無法支持沒有特殊推進(jìn)裝置的飛機(jī)飛行。

為了承受長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射產(chǎn)生的高溫和高壓，火箭噴嘴最好由多種金屬制成。例如，噴嘴內(nèi)部可以用導(dǎo)熱銅制成，并集成冷卻通道，外部可以用耐熱鎳合金制成。塔克說：“對(duì)于像我們學(xué)生火箭隊(duì)這樣的小團(tuán)隊(duì)來說，這種多材料技術(shù)迄今為止過于復(fù)雜且成本高昂，難以實(shí)現(xiàn)?！?/div>

旋轉(zhuǎn)3D打印

新機(jī)器的核心是一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)高速打印。傳統(tǒng)的直線激光動(dòng)力床熔接機(jī)在每層粉末熔化后都必須重新添加一層粉末，而 RAPTURE 機(jī)器則憑借旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了不間斷運(yùn)行。這意味著粉末的添加和激光熔接同時(shí)進(jìn)行，從而顯著提高了生產(chǎn)效率。這使得圓柱形部件的制造時(shí)間縮短了三分之二以上。

△左圖：傳統(tǒng)3D打印機(jī)；右圖：旋轉(zhuǎn)式RAPTURE打印機(jī)，激光持續(xù)熔化粉末。（圖片：Michael Tucker / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

塔克說道：“這項(xiàng)工藝非常適合制造火箭噴嘴、旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)以及航空航天工業(yè)中的許多其他部件。這些部件通常直徑很大，但壁很薄。雖然這套機(jī)器也能生產(chǎn)非軸對(duì)稱甚至陣列式的零件，但旋轉(zhuǎn)法對(duì)于精確制造這種幾何形狀尤為有效。”

同時(shí)打印兩種金屬

這臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)器可以一次性加工兩種不同的金屬。傳統(tǒng)系統(tǒng)需要多個(gè)步驟，并且需要大量的金屬粉末。由于混合粉末的分離和回收仍是一個(gè)懸而未決的難題，如今許多粉末都變成了廢料。新方法只會(huì)將材料沉積在部件內(nèi)真正需要的位置，從而減少浪費(fèi)。

本裝置采用一種機(jī)制，將惰性氣體吹向粉末熔合區(qū)域。這可以防止部件在打印過程中氧化。煙灰、飛濺物和其他副產(chǎn)品會(huì)通過排氣口系統(tǒng)地排出。塔克說道：“起初，我們低估了氣流機(jī)制對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響?，F(xiàn)在我們知道它至關(guān)重要。”得益于新開發(fā)的機(jī)器的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，局部氣流條件的控制比傳統(tǒng)機(jī)器更加嚴(yán)格。

△直徑75毫米的高壓渦輪定子成品。（圖片：Michael Tucker / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

定制而非標(biāo)準(zhǔn)組件

在開發(fā)新型激光動(dòng)力床熔接機(jī)時(shí)，學(xué)生們面臨著多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，其中之一是如何使掃描激光與進(jìn)氣口和粉末供應(yīng)的旋轉(zhuǎn)同步。此外，由于裝置上的許多部件尚未上市，團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)了部件。這些部件包括一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的進(jìn)氣口連接裝置和一個(gè)在運(yùn)行過程中自動(dòng)補(bǔ)充粉末的系統(tǒng)。

盡管如此，這支學(xué)生團(tuán)隊(duì)還是成功制造出了一臺(tái)幾乎可以投入工業(yè)應(yīng)用的機(jī)器。對(duì)塔克來說，這是項(xiàng)目的亮點(diǎn)之一：“一支學(xué)生團(tuán)隊(duì)在九個(gè)月內(nèi)就開發(fā)并制造出一臺(tái)可以運(yùn)行的機(jī)器，這真是太了不起了?！?/div>

航空航天、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的潛力

除了ARIS和整個(gè)航空航天工業(yè)的具體應(yīng)用外，研究團(tuán)隊(duì)還看到了其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，例如飛機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及電動(dòng)機(jī)，這些領(lǐng)域通常采用環(huán)形幾何形狀。由于其新穎性和巨大的商業(yè)潛力，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提交了一份涵蓋旋轉(zhuǎn)多材料激光粉末床熔合技術(shù)的專利申請(qǐng)，這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已獲得蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院星火獎(jiǎng)提名。

目前，使用原型樣機(jī)制造的部件直徑最大可達(dá) 20 厘米。研究團(tuán)隊(duì)目前正在探索將這種工藝擴(kuò)展到更高速度和更大直徑的可能性，并正在尋求行業(yè)合作伙伴與他們合作，進(jìn)一步開發(fā)和部署這項(xiàng)革命性技術(shù)。