萊斯大學(xué)打造成本僅5000美元的低成本冷噴涂金屬3D打印機(jī)

2024年4月28日，南極熊獲悉，美國(guó)萊斯大學(xué)一個(gè)名為AeroForge的學(xué)生團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種冷噴金屬3D打印設(shè)備。該設(shè)備依靠壓力和速度（而不是溫度）來(lái)制造金屬零件，有助于降低成本并提高制造或維修一次性復(fù)雜金屬零件的質(zhì)量，從而擴(kuò)大了金屬增材制造技術(shù)的范圍。

△萊斯大學(xué)AeroForge團(tuán)隊(duì)和冷噴金屬3D打印設(shè)備

目前，他們成功使用該設(shè)備沉積了銅，并證明了這款原型的可行性和潛力。該項(xiàng)目獲得了"優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)工程獎(jiǎng)"（Excellence in Capstone Engineering Award）和年度"威利革命獎(jiǎng)"（Willy Revolution Award for Outstanding Innovation）第一名。另外，AeroForge團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目還獲得了今年的Hershel M. Rich發(fā)明獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)授予萊斯大學(xué)工程系的學(xué)生或教師，以表彰他們的原創(chuàng)發(fā)明開(kāi)發(fā)。

△AeroForge低成本冷噴涂金屬3D打印機(jī)構(gòu)建室內(nèi)部

大學(xué)生開(kāi)發(fā)新的冷噴金屬3D打印設(shè)備

團(tuán)隊(duì)成員指出，傳統(tǒng)的金屬3D打印機(jī)一般使用激光將金屬粉末熔化成特定形狀，但熔化會(huì)影響產(chǎn)品的性能。冷噴技術(shù)已被用于涂層，它使用速度而不是熱量，基本上是快速加速金屬顆粒，使其附著在基底上并發(fā)生變形。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)旨在通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

該設(shè)備的應(yīng)用包括制造和修復(fù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬部件，如工業(yè)裝配線或車輛或飛機(jī)中使用的部件。依賴金屬部件的行業(yè)，如汽車、石油和天然氣、國(guó)防等，會(huì)因供應(yīng)鏈中斷而遭受重大損失。該團(tuán)隊(duì)希望其設(shè)備能夠?yàn)榘葱柚圃旎蚓S修零部件提供一種可行的低成本替代方案。

團(tuán)隊(duì)成員Davis Thames在萊斯大學(xué)高級(jí)設(shè)計(jì)班開(kāi)學(xué)近一年前首次向隊(duì)友提出了使用冷噴金屬3D打印機(jī)的想法，并解釋了使用這種技術(shù)相比使用焊接的優(yōu)勢(shì)。他說(shuō)：“通常情況下，維修時(shí)只能在重塑金屬部件時(shí)去除材料。但使用這種工藝，你可以添加材料，然后再加工回去。以焊接為例，不同的熔化溫度可能會(huì)導(dǎo)致材料性能不均勻。而這種設(shè)備就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題�！�

△3D打印機(jī)的上方視角

該設(shè)備包括一個(gè)氣罐，用于向系統(tǒng)輸送高壓氮?dú)�；調(diào)節(jié)閥門(mén)和監(jiān)控壓力與溫度的控制器；一個(gè)壓力容器，用于將氣體加熱到450°C（842華氏度）；一個(gè)粉末進(jìn)料器，用于將金屬粉末以精確的速度注入噴嘴；以及一個(gè)定制噴嘴。

團(tuán)隊(duì)成員Julianna Dickman解釋說(shuō)：“雖然氣體確實(shí)會(huì)被加熱，但它仍然是一個(gè)冷噴系統(tǒng)，
因?yàn)�，�?dāng)氣體在噴嘴中與金屬粉末相遇時(shí)，氣體會(huì)從噴嘴中膨脹出來(lái)，并迅速冷卻，而金屬粉末則不會(huì)融化，也不會(huì)受到溫度的影響，溫度只會(huì)增加氣體的速度，從而將其動(dòng)量傳給金屬粉末，然后金屬粉末就可以加速到我們的基底上并附著在上面�！�

所面臨的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新

團(tuán)隊(duì)的很多努力都集中在降低成本上，因?yàn)樵S多金屬3D打印機(jī)的成本都超過(guò)100萬(wàn)美元（約合700萬(wàn)人民幣）。AeroForge團(tuán)隊(duì)用不到5000美元（約合3.5萬(wàn)人民幣）就制造出了自己的設(shè)備。

除了降低成本團(tuán)隊(duì)在安全性和進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新方面取得了重要進(jìn)展。他們采用內(nèi)部加工的方式制造部件，如壓力容器和噴嘴，以降低成本并確保特定部件的可用性。團(tuán)隊(duì)還與萊斯大學(xué)的環(huán)境健康與安全部門(mén)合作，確保技術(shù)測(cè)試符合安全準(zhǔn)則，并實(shí)施了復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)以確保安全性。此外，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了多項(xiàng)安全檢查，并進(jìn)行了大量的代碼迭代，以確保設(shè)備的有效運(yùn)行。