Οι σπουδαστές της ETH Zurich έχουν αναπτύξει μια μηχανή σύντηξης με σκόνη λέιζερ που ακολουθεί μια κυκλική διαδρομή εργαλείων για την εκτύπωση εξαρτημάτων στρογγυλής, η οποία επιτρέπει την επεξεργασία πολλαπλών μετάλλων ταυτόχρονα. Το σύστημα μειώνει σημαντικά το χρόνο κατασκευής και ανοίγει νέες δυνατότητες για την αεροδιαστημική και τη βιομηχανία. Η ETH έχει υποβάλει αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για το μηχάνημα και τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στοCirp annals.
Σήμερα, σχεδόν όλες οι σύγχρονες πυραυλικές μηχανές βασίζονται στην εκτύπωση 3D για να μεγιστοποιήσουν την απόδοσή τους με στενή σύζευξη μεταξύ δομής και λειτουργίας. Οι σπουδαστές στο ETH Zurich έχουν κατασκευάσει τώρα ένα υψηλό - ταχύτητα multi - υλικό μεταλλικό εκτυπωτή: Μια μηχανή σύντηξης σκόνης λέιζερ που περιστρέφει τα ακροφύσια απόθεσης σκόνης και ροής αερίου ενώ εκτυπώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να επεξεργαστεί διάφορα μέταλλα ταυτόχρονα και χωρίς τη διαδικασία. Το μηχάνημα θα μπορούσε να αλλάξει θεμελιωδώς την τρισδιάστατη εκτύπωση μεταλλικών εξαρτημάτων, με αποτέλεσμα σημαντικές μειώσεις του χρόνου και του κόστους παραγωγής.
Η ομάδα των έξι φοιτητών του Bachelor στο πέμπτο και το έκτο εξάμηνο ανέπτυξε το νέο μηχάνημα στο προηγμένο εργαστήριο παραγωγής υπό την καθοδήγηση του καθηγητή ETH Markus Bambach και του ανώτερου επιστήμονα Michael Tucker ως μέρος του Rapture Project Focus. Σε μόλις εννέα μήνες, οι μαθητές συνειδητοποίησαν, έχτισαν και εξέτασαν την ιδέα τους. Το μηχάνημα απευθύνεται ιδιαίτερα σε εφαρμογές στην αεροδιαστημική που διαθέτει περίπου κυλινδρικές γεωμετρίες, όπως ακροφύσια πυραύλων και στροβιλισμό, αλλά έχει επίσης ευρύ ενδιαφέρον για τη μηχανική μηχανική.
Παροχή πρόσβασης σε προηγμένη τεχνολογία
Ο επικεφαλής του έργου Tucker εξηγεί ότι το έργο προήλθε από μια πολύ συγκεκριμένη πρόκληση: ανάπτυξη bi - υγρό - τροφοδοτούμενα ακροφύσια πυραύλων για την ARIS, την ελβετική πρωτοβουλία ακαδημαϊκού χώρου, που χτίζει τους δικούς του ρουκέτες με οράματα να φτάσει στο διάστημα. Μέσα στα επόμενα χρόνια, ο Aris στοχεύει να φτάσει στη γραμμή Kármán - το διεθνώς αναγνωρισμένο όριο του χώρου που βρίσκεται σε υψόμετρο 100 χιλιομέτρων, πέρα από το οποίο η ατμόσφαιρα είναι πολύ λεπτή για να υποστηρίξει την πτήση με αεροσκάφη χωρίς ειδική πρόωση.
Προκειμένου να αντέξει την έντονη θερμότητα και την πίεση σε μια εκτεταμένη εκτόξευση, τα ακροφύσια πυραύλων θα πρέπει ιδανικά να είναι κατασκευασμένα από πολλαπλά μέταλλα. Για παράδειγμα, το εσωτερικό τους μπορεί να είναι κατασκευασμένο από θερμότητα - που διεξάγεται χαλκό με ενσωματωμένα κανάλια ψύξης και το εξωτερικό τους από θερμότητα - ανθεκτικό κράμα νικελίου. "Για τους μικρούς παίκτες όπως η ομάδα των φοιτητών μας, αυτό το είδος multi - τεχνολογία υλικών έχει μέχρι τώρα πολύ πολύπλοκο και πολύ ακριβό, το βάζοντας μακριά", λέει ο Tucker.
Περιστροφική εκτύπωση 3D
Η καρδιά του νέου μηχανήματος είναι μια περιστρεφόμενη πλατφόρμα που επιτρέπει σε ένα υψηλό - διαδικασία εκτύπωσης ταχύτητας. Σε αντίθεση με τις συμβατικές ευθύνες μηχανές σύντηξης με σκόνη λέιζερ, όπου πρέπει να εφαρμοστεί ένα νέο στρώμα σκόνης μετά την τήξη κάθε στρώματος, η μηχανή Rapture λειτουργεί μη - σταματά χάρη στην περιστρεφόμενη πλατφόρμα του. Αυτό σημαίνει ότι η σκόνη εφαρμόζεται και συγχωνεύεται ταυτόχρονα από το λέιζερ, γεγονός που ενισχύει σημαντικά την παραγωγικότητα. Αυτό μειώνει τον χρόνο κατασκευής για τα κυλινδρικά εξαρτήματα από περισσότερα από τα δύο τρίτα.
"Αυτή η διαδικασία είναι ιδανική για τα ακροφύσια πυραύλων, τους περιστρεφόμενους κινητήρες και πολλά άλλα εξαρτήματα στην αεροδιαστημική βιομηχανία", λέει ο Tucker. "Συνήθως έχουν μεγάλη διάμετρο αλλά πολύ λεπτές τοίχους", προσθέτει. Ενώ το μηχάνημα είναι επίσης ικανό να παράγει μη - αξονικό θηλυκό ή ακόμη και συστοιχίες εξαρτημάτων, η περιστρεφόμενη μέθοδος είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική για την παραγωγή ακριβώς αυτής της γεωμετρίας.
Εκτύπωση δύο μετάλλων ταυτόχρονα
Το περιστρεφόμενο μηχάνημα μπορεί να επεξεργαστεί δύο διαφορετικά μέταλλα σε μία μόνο λειτουργία. Τα συμβατικά συστήματα απαιτούν διάφορα βήματα και πολύ μεγαλύτερη ποσότητα μεταλλικής σκόνης. Καθώς ο διαχωρισμός και η ανάκτηση της μικτής σκόνης παραμένει μια ανοιχτή πρόκληση, σήμερα μεγάλο μέρος αυτής της σκόνης γίνεται απόβλητα. Η νέα μέθοδος καταθέτει μόνο το υλικό όπου είναι πραγματικά απαραίτητο μέσα στο στοιχείο, μειώνοντας έτσι τα απόβλητα.
Το μηχάνημα διαθέτει έναν μηχανισμό που φυσάει αδρανές αέριο πάνω από την περιοχή όπου η σκόνη είναι συντηγμένη. Αυτό εμποδίζει το συστατικό από την οξείδωση ενώ εκτυπώνεται. Η αιθάλη, το spatter και άλλα από τα προϊόντα - εξάγονται συστηματικά μέσω μιας πρίζας. "Αρχικά υποτιμήσαμε το βαθμό στον οποίο ο μηχανισμός ροής αερίου επηρεάζει την ποιότητα του προϊόντος", λέει ο Tucker. "Τώρα ξέρουμε ότι είναι κρίσιμο." Χάρη στην περιστρεφόμενη αρχιτεκτονική του νεοεισερχόμενου μηχανήματος, οι τοπικές συνθήκες ροής αερίου μπορούν να ελεγχθούν πολύ πιο σφιχτά από ό, τι με μια συμβατική μηχανή.
Προσαρμοσμένα και όχι τυπικά εξαρτήματα
Οι μαθητές αντιμετώπισαν μια σειρά τεχνικών προκλήσεων κατά την ανάπτυξη της νέας μηχανής σύντηξης με σκόνη λέιζερ, μία από τις οποίες περιελάμβανε τον συγχρονισμό του λέιζερ σάρωσης με την περιστροφή της εισόδου αερίου και της παροχής σκόνης. Επιπλέον, καθώς πολλά από τα μέρη που απαιτούνται για το μηχάνημα δεν είναι εμπορικά διαθέσιμα, η ομάδα σχεδίασε τη δική τους. Αυτά περιλαμβάνουν μια περιστρεφόμενη σύνδεση για την είσοδο αερίου και ένα σύστημα που ξαναγεμίζει τη σκόνη κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.
Παρ 'όλα αυτά, η ομάδα των φοιτητών κατάφερε να οικοδομήσει μια μηχανή που φαίνεται σχεδόν έτοιμη για βιομηχανική εφαρμογή. Για τον Tucker, αυτό ήταν ένα από τα σημαντικότερα σημεία του έργου εστίασης: "Το γεγονός ότι μια ομάδα μαθητών ανέπτυξε και έχτισε μια μηχανή λειτουργίας σε εννέα μήνες είναι αρκετά αξιοσημείωτη".
Δυναμικό για αεροδιαστημική, e - κινητικότητα και πολλά άλλα
Εκτός από τις εφαρμογές συγκεκριμένων για την ARIS και για τη βιομηχανία αεροδιαστημικής γενικά, η ομάδα βλέπει πιθανές εφαρμογές σε άλλους τομείς, όπως σε αεροσκάφη και αεριοστρόβιλους, καθώς και για ηλεκτρικούς κινητήρες όπου οι δακτύλιοι- είναι ο κανόνας. Λόγω της καινοτομίας και του τεράστιου εμπορικού δυναμικού της, υποβλήθηκε σε εφαρμογή με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από την ETH που καλύπτει την περιστροφική τεχνολογία σύντηξης με κονσέρβες λέιζερ, η οποία έχει οριστεί από τότε για το βραβείο ETH Spark.
Τα εξαρτήματα που κατασκευάζονται μέχρι στιγμής με το πρωτότυπο έχουν διάμετρο έως 20 εκατοστά. Η ερευνητική ομάδα εξετάζει τώρα την κλιμάκωση της διαδικασίας σε υψηλότερες ταχύτητες και μεγαλύτερες διαμέτρους και σήμερα αναζητούν τους εταίρους της βιομηχανίας για να συνεργαστούν μαζί τους για να αναπτύξουν και να αναπτύξουν αυτή την επαναστατική τεχνολογία.
