金屬3D打印新裝備：連續旋轉式多材料LPBF到底新在哪

AM易道深度快訊

就在這個月初，在弗勞恩霍夫IGCV舉辦的第一屆多金屬粉末床熔融技術研討會上，來自蘇黎世聯邦理工學院（ETHZurich）的一幫學生，展示了一臺相當新奇的激光粉末床熔融（LaserPowderBedFusion, LPBF）設備。

它新奇并不是說它剛剛發明出來，我們在幾年前就看過西安交通大學團隊類似的方案，只是這次歐洲公開展示被更多的人看到進而分享轉發。

簡單來說，它的特點是，把傳統LPBF設備鋪一層粉、掃一遍光、再鋪一層粉的直線往復邏輯，改成了邊旋轉邊打印的連續模式。

這不僅大幅提升了打印速度，還順帶解決了多金屬打印中的一些痛點。

這個項目代號為RAPTURE，目標直指下一代多材料火箭部件的制造，目前ETH已經為這項技術申請了專利。

聊這個項目，其實得先聊梯度材料。

一旦能穩定、高效地在單一零件上實現多種金屬材料的無縫集成，從功能梯度材料到集成冷卻通道的高溫部件，應用想象空間很大。

但這事兒的難點，大家也被困擾很久了：

要么是多個粉倉來回切換效率低下，要么是混合粉末的分離回收幾乎成了無解的難題，導致大量昂貴的金屬粉末被浪費。

而ETH的這群學生，似乎找到了一條全新的破局之法。

對工藝時間的徹底重構

我們先來看看這臺機器最核心的創新點：旋轉打印。

傳統的LPBF設備，先是用刮刀（recoater）在粉床上來回移動，鋪上一層薄薄的金屬粉末。

然后激光再在上邊工作。

完成一層后，平臺下降，刮刀再次出動，周而復始。

這個過程中，刮刀的往復運動和平臺的升降，我們稱之為工藝死區時間（process deadtime），它占據了整個制造時間的相當一部分。

RAPTURE項目組的這臺機器，改變了玩法。

它的核心是一個旋轉平臺。

送粉器、激光束和惰性氣體保護噴嘴被固定在特定的位置，而打印件所在的平臺則在下方持續旋轉。

這意味著，送粉、熔融和凝固這幾個步驟可以同步、連續地進行。

激光不再需要等待刮刀鋪完粉，而是可以持續不斷地在旋轉的粉末流上工作。

項目的高級科學家Michael Tucker博士打了個比方，這套系統特別適合制造那些近似圓柱形的幾何體，比如火箭噴管、渦輪機械部件等。

這類零件的共同特點是直徑大但壁很薄。

對于這種結構，旋轉打印的效率極高。

根據團隊的數據，制造一個圓柱形部件的時間，可以縮減超過三分之二。

這對于追求極致效率和成本控制的航空航天領域來說，吸引力是巨大的。

當然，這臺機器也能制造非軸對稱的零件，甚至是陣列式排布的多個零件。

但無疑，在打印環形或圓柱形結構時，它的優勢才能被發揮到淋漓盡致。

不僅僅是快：多材料與低浪費的組合拳

如果說速度只是這臺機器的A面，那它的B面是多材料處理能力和極低的材料浪費，更具潛在價值。

我們用一個具體的例子來說明。

這次項目的直接驅動力，來源于瑞士學術航天倡議組織ARIS的一個實際需求。

這個由學生主導的組織正在建造自己的火箭，目標是沖破100公里的卡門線。

他們需要一個雙組元液體火箭發動機的噴管，為了承受發射時的高溫高壓，這種噴管的內部最好由導熱性極佳的銅（Cu）合金制成，并集成復雜的冷卻通道；

而外部則需要由耐高溫的鎳（Ni）基高溫合金包裹。

在傳統工藝中，實現這種異種材料的結合極其復雜。

即使在增材制造領域，用現有的多材料LPBF技術來做，也面臨前面提到的粉末交叉污染和浪費問題。

Tucker博士直言：對于像我們學生火箭團隊這樣的小玩家來說，這種多材料技術一直以來都過于復雜和昂貴，遙不可及。

RAPTURE的旋轉架構恰好解決了這個問題。

因為它可以同時集成兩個獨立的送粉器，在旋轉過程中的特定角度和位置精確地輸送不同的金屬粉末。

粉末只被沉積在需要它的地方，然后立即被激光熔融。

這樣一來，就從源頭上避免了不同粉末的大面積混合。

那些混在一起難以分離的昂貴粉末，在這里材料浪費被降到了最低。

重新設計工藝環境控制

任何一個做金屬打印的朋友都知道，惰性氣體保護（通常是氬氣）多重要。

它不僅要防止金屬在高溫下氧化，還要有效地帶走熔池產生的飛濺物（spatter）和金屬蒸氣（soot）。

在傳統的大尺寸LPBF設備中，要維持整個打印倉內氣流的均勻性和穩定性，是一個巨大的挑戰。

RAPTURE的旋轉設計在這里又一次展現了它的巧妙之處。

由于送粉和熔化的區域是相對固定的，保護氣流可以被設計得非常聚焦和高效。

團隊設計了一個專門的結構，讓惰性氣體直接吹掃熔化區，然后通過一個出口系統地將所有副產品抽走。

Tucker博士坦言，他們一開始低估了氣流控制對打印質量的影響，但后來發現這是決定性的。

旋轉架構讓他們能夠比傳統設備更精確地控制局部氣流條件，這對于最終零件的冶金質量和力學性能至關重要。

值得一提的是，這個項目從概念到原型機落地，只花了6個本科生9個月的時間。

期間他們還遇到了很多工程難題，比如如何讓掃描振鏡與旋轉平臺精確同步，以及由于市面上沒有現成零件，他們自己設計了可旋轉的氣路接頭、運行中自動補粉的系統等等。

能做到這個完成度，讓我們印象深刻。

從火箭到電動機：商業化的想象空間

現在，讓我們跳出技術細節，看看它的未來。

這項技術的第一個也是最直接的應用場景，就是ARIS的火箭項目以及更廣泛的航空航天領域。

除了火箭噴管，航空發動機、燃氣輪機中的各種環形件都是它的潛在客戶。

但團隊的目光不止于此。

他們認為，在電動汽車領域，特別是電動機的制造中，也存在大量環形幾何部件，這項技術同樣大有可為。

目前，這臺原型機可以制造直徑最大為200mm的部件。

團隊正在探索如何進一步提升打印速度和擴大打印尺寸，并且已經開始積極尋求工業界的合作伙伴，共同推動這項技術的商業化落地。

憑借其新穎性和巨大的商業潛力，這項技術不僅獲得了ETH Spark獎的提名，也已經由校方提交了專利申請。

雖然這項技術目前還主要聚焦于軸對稱或近似軸對稱的零件，但這已經覆蓋了航空航天、能源動力等多個高價值領域的核心部件。

或許能在不遠的將來，這樣的技術方案為高端金屬制造領域可以出現帶來一些新的改變。

我們會持續關注它的后續進展。

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