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，從而能夠同時加工多種金屬。這套增材系統(tǒng)顯著縮短了制造時間，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。

△視頻來源：Rapture / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

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

△新型3D打印機允許在旋轉(zhuǎn)平臺上通過激光同時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，因為多種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)動機都依賴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)已研制出一臺高速多材料金屬打印機：一臺激光動力床熔合機，可在打印的同時旋轉(zhuǎn)粉末沉積和氣流噴嘴，這意味著它可以同時處理多種金屬，且沒有工藝停滯時間。這臺機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)期本科生組成的團隊，在聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）Markus Bambach教授和高級科學(xué)家Michael Tucker的指導(dǎo)下，在先進制造實驗室開發(fā)了這臺新機器，這是“RAPTURE”焦點項目的一部分。僅用九個月的時間，學(xué)生們就將他們的想法付諸實踐、制造并測試。裝置主要針對航空航天領(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械，但在機械工程領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。

提供先進技術(shù)

項目負責人塔克解釋說，本項目源于一個非常特殊的挑戰(zhàn)：為瑞士學(xué)術(shù)太空計劃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的目標是突破卡門線——國際公認的太空邊界，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裝置的飛機飛行。

為了承受長時間發(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：“對于像我們學(xué)生火箭隊這樣的小團隊來說，這種多材料技術(shù)迄今為止過于復(fù)雜且成本高昂，難以實現(xiàn)?！?/div>

旋轉(zhuǎn)3D打印

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

△左圖：傳統(tǒng)3D打印機；右圖：旋轉(zhuǎn)式RAPTURE打印機，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：“這項工藝非常適合制造火箭噴嘴、旋轉(zhuǎn)發(fā)動機以及航空航天工業(yè)中的許多其他部件。這些部件通常直徑很大，但壁很薄。雖然這套機器也能生產(chǎn)非軸對稱甚至陣列式的零件，但旋轉(zhuǎn)法對于精確制造這種幾何形狀尤為有效。”

同時打印兩種金屬

這臺旋轉(zhuǎn)機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懸而未決的難題，如今許多粉末都變成了廢料。新方法只會將材料沉積在部件內(nèi)真正需要的位置，從而減少浪費。

本裝置采用一種機制，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，我們低估了氣流機制對產(chǎn)品質(zhì)量的影響?，F(xiàn)在我們知道它至關(guān)重要?！钡靡嬗谛麻_發(fā)的機器的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，局部氣流條件的控制比傳統(tǒng)機器更加嚴格。

△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）

定制而非標準組件

在開發(fā)新型激光動力床熔接機時，學(xué)生們面臨著多項技術(shù)挑戰(zhàn)，其中之一是如何使掃描激光與進氣口和粉末供應(yīng)的旋轉(zhuǎn)同步。此外，由于裝置上的許多部件尚未上市，團隊自行設(shè)計了部件。這些部件包括一個可旋轉(zhuǎn)的進氣口連接裝置和一個在運行過程中自動補充粉末的系統(tǒng)。

盡管如此，這支學(xué)生團隊還是成功制造出了一臺幾乎可以投入工業(yè)應(yīng)用的機器。對塔克來說，這是項目的亮點之一：“一支學(xué)生團隊在九個月內(nèi)就開發(fā)并制造出一臺可以運行的機器，這真是太了不起了?！?/div>

航空航天、電動汽車等領(lǐng)域的潛力

除了ARIS和整個航空航天工業(yè)的具體應(yīng)用外，研究團隊還看到了其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，例如飛機、燃氣輪機以及電動機，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，這項技術(shù)現(xiàn)已獲得蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院星火獎提名。

目前，使用原型樣機制造的部件直徑最大可達 20 厘米。研究團隊目前正在探索將這種工藝擴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，進一步開發(fā)和部署這項革命性技術(shù)。