Les étudiants de Eth Zurich ont développé une machine de fusion de lit de poudre laser qui suit un chemin d'outil circulaire pour imprimer des composants ronds, ce qui permet le traitement de plusieurs métaux à la fois. Le système réduit considérablement le temps de fabrication et ouvre de nouvelles possibilités pour l'aérospatiale et l'industrie. ETH a déposé une demande de brevet pour la machine et les résultats sont publiés dans leAnnales du CIRP.
Aujourd'hui, pratiquement tous les moteurs de fusée modernes s'appuient sur l'impression 3D pour maximiser leurs performances avec un couplage serré entre la structure et la fonction. Les élèves de Eth Zurich ont maintenant construit une-}} Speed Multi - Imprimante métallique de matériau: une machine de fusion de lit de poudre laser qui fait pivoter le dépôt de poudre et les buses de flux de gaz pendant qu'il imprime, ce qui signifie qu'il peut traiter plusieurs métaux simultanés et sans temps mort. La machine pourrait changer fondamentalement l'impression 3D des pièces métalliques, entraînant des réductions importantes du temps de production et du coût.
L'équipe de six étudiants de baccalauréat dans leurs cinquième et sixième semestres a développé la nouvelle machine dans le laboratoire de fabrication avancé sous la direction du professeur d'ETH Markus Bambach et du scientifique principal Michael Tucker dans le cadre du projet FOCUS Rapture. En seulement neuf mois, les étudiants ont réalisé, construit et testé leur idée. La machine vise particulièrement les applications en aérospatiale avec des géométries cylindriques approximativement, telles que les buses de fusée et la turbomachinerie, mais présente également un large intérêt pour le génie mécanique.
Offrir un accès à la technologie avancée
Le projet Lead Tucker explique que le projet est né d'un défi très spécifique: développer des buses de fusée alimentées bi- - pour ARIS, l'initiative spatiale scolaire suisse, qui construit ses propres fusées avec des visions d'atteindre l'espace. Au cours des prochaines années, ARIS vise à atteindre la ligne de Kármán -, la limite internationale reconnue de l'espace fixé à une altitude de 100 kilomètres, au-delà de laquelle l'atmosphère est trop mince pour supporter le vol par avion sans propulsion spéciale.
Afin de résister à la chaleur intense et à la pression sur un lancement prolongé, les buses de fusée devraient idéalement être faites de métaux multiples. Par exemple, leur intérieur peut être fait de chaleur - conduisant du cuivre avec des canaux de refroidissement intégrés et leur extérieur d'une chaleur - alliage de nickel résistant. "Pour les petits joueurs comme notre équipe d'étudiants Rocket, ce genre de technologie matérielle multi - a jusqu'à présent été trop complexe et trop cher, la mettant hors de portée", explique Tucker.
Impression 3D rotationnelle
Le cœur de la nouvelle machine est une plate-forme rotative qui permet un processus d'impression de vitesse élevé -. Contrairement aux machines de fusion du lit de poudre laser à laser rectiligne conventionnel, où une nouvelle couche de poudre doit être appliquée après l'arrêt de chaque couche, la machine enlèvement fonctionne non - grâce à sa plate-forme rotative. Cela signifie que la poudre est appliquée et fusionnée par le laser simultanément, ce qui améliore considérablement la productivité. Cela réduit le temps de fabrication des composants cylindriques de plus de deux tiers.
"Ce processus est parfaitement adapté aux buses de fusée, aux moteurs rotatifs et à de nombreux autres composants de l'industrie aérospatiale", explique Tucker. "Ils ont généralement un grand diamètre mais des murs très minces", ajoute-t-il. Bien que la machine soit également capable de produire des tableaux de pièces non - ou même de pièces, la méthode rotative est particulièrement efficace pour produire précisément cette géométrie.
Imprimer deux métaux simultanément
La machine rotative peut traiter deux métaux différents en une seule opération. Les systèmes conventionnels nécessitent plusieurs étapes et une quantité beaucoup plus grande de poudre métallique. Alors que la séparation et la récupération de la poudre mélangée restent un défi ouvert, une grande partie de cette poudre devient aujourd'hui des déchets. La nouvelle méthode ne dépose que le matériau où il est réellement nécessaire dans le composant, réduisant ainsi les déchets.
La machine dispose d'un mécanisme qui souffle du gaz inerte sur la zone où la poudre est fusionnée. Cela empêche le composant de s'oxyder pendant son imprimé. Les produits Soot, éclaboussures et autres - sont systématiquement extraits via une prise. "Au début, nous avons sous-estimé la mesure dans laquelle le mécanisme de débit de gaz affecte la qualité du produit", explique Tucker. "Maintenant, nous savons que c'est crucial." Grâce à l'architecture rotative de la machine nouvellement développée, les conditions de flux de gaz locales peuvent être contrôlées beaucoup plus étroitement qu'avec une machine conventionnelle.
Composants personnalisés plutôt que standard
Les étudiants ont été confrontés à un certain nombre de défis techniques lors du développement de la nouvelle machine de fusion de lit de poudre laser, dont l'une impliquait la synchronisation du laser à balayage avec la rotation de l'entrée de gaz et de l'alimentation en poudre. De plus, comme la plupart des pièces nécessaires à la machine ne sont pas disponibles dans le commerce, l'équipe a conçu la leur. Ceux-ci incluent une connexion rotative pour l'entrée de gaz et un système qui remplit automatiquement la poudre pendant le fonctionnement.
Néanmoins, l'équipe d'étudiants a réussi à construire une machine qui semble presque prête pour une application industrielle. Pour Tucker, ce fut l'un des points forts du projet Focus: "Le fait qu'une équipe d'étudiants ait développé et construit une machine fonctionnelle en neuf mois est assez remarquable."
Potentiel de la mobilité aérospatiale, e - et plus encore
En plus des applications en béton pour ARIS et pour l'industrie aérospatiale en général, l'équipe voit des applications potentielles dans d'autres secteurs, comme dans les turbines d'avion et de gaz, et pour les moteurs électriques où les géométries en forme de cycle - sont la norme. En raison de sa nouveauté et de son énorme potentiel commercial, une application de brevet a été déposée par ETH couvrant la technologie de fusion du lit de poudre laser en matériaux rotatifs, qui a depuis été nominé pour le prix ETH Spark.
Les composants fabriqués jusqu'à présent avec le prototype ont un diamètre allant jusqu'à 20 centimètres. L'équipe de recherche envisage désormais d'étendre le processus à des vitesses plus élevées et à des diamètres plus grands, et ils recherchent actuellement des partenaires de l'industrie pour collaborer avec eux pour développer et déployer davantage cette technologie révolutionnaire.
