Gratie unei platforme rotative, o noua imprimanta 3D metalica poate depune si topi pulberea metalica intr-o singura etapa, lucrand astfel mai rapid decat masinile conventionale. Sistemul poate prelucra doua metale diferite intr-o singura operatiune, ceea ce eficientizeaza productia si minimizeaza risipa de material. Un prototip a fost dezvoltat in doar noua luni si ofera potential de aplicare in industria aerospatiala si in tehnologia propulsoarelor – de fapt, in orice domeniu unde este nevoie de obiecte usoare, aproximativ cilindrice.
Fuziunea pulberilor metalice multiple (Multi-Metal PBF) in 3D a devenit un subiect de interes major in fabricatia aditiva, deoarece mai multe abordari noi deschid posibilitati de productie fara precedent, unde aceasta se remarca ca singura metoda de fabricatie. Astazi, aproape toate motoarele moderne de racheta se bazeaza pe imprimarea 3D pentru a-si maximiza performanta, cu o corelare stransa intre structura si functie.
Studentii de la ETH Zurich au construit acum o imprimanta metalica multi-material de mare viteza: o masina de fuziune prin laser a pulberilor metalice, cu pat rotativ, care roteste atat depunerea pulberii, cat si duzele de gaz in timpul imprimarii, ceea ce inseamna ca poate procesa mai multe metale simultan si fara timpi morti. Masina ar putea schimba fundamental imprimarea 3D a pieselor metalice, ceea ce ar putea rezulta in reduceri semnificative ale timpului si costului de fabricatie.
Echipa formata din sase studenti la licenta, aflati in semestrul al cincilea si al saselea, a dezvoltat noua masina in cadrul Advanced Manufacturing Lab, sub indrumarea profesorului ETH Markus Bambach si a cercetatorului principal Michael Tucker, ca parte a Proiectului Focus RAPTURE. In doar noua luni, studentii si-au conceput, construit si testat ideea. Masina este destinata in special aplicatiilor din industria aerospatiala, care implica geometrii aproximativ cilindrice, cum ar fi duzele de racheta, turbine si compresoare, dar prezinta un larg interes si pentru ingineria mecanica.
Oferirea accesului la tehnologie avansata
Coordonatorul proiectului, Tucker, a explicat ca initiativa a pornit de la o provocare foarte specifica, si anume dezvoltarea duzelor pentru rachete cu combustibil dublu-lichid pentru Initiativa Spatiala Academica Elvetiana (ARIS), care construieste propriile rachete pentru a ajunge in spatiu. In urmatorii cativa ani, ARIS isi propune sa atinga Linia Karman – granita spatiului recunoscuta international, stabilita la o altitudine de 100 de kilometri, dincolo de care atmosfera este prea rarefiata pentru a permite zborul aeronavelor fara propulsie speciala.
Pentru a rezista la caldura si presiunea intensa pe durata unui lansari prelungite, ideal ar fi ca duzele de racheta sa fie realizate din mai multe metale. De exemplu, interiorul lor poate fi confectionat din cupru termoconductor cu canale de racire integrate, iar exteriorul dintr-un aliaj de nichel rezistent la temperaturi inalte. „Pentru jucatori mici, cum este echipa noastra de studenti pasionati de rachete, acest tip de tehnologie multi-material a fost pana acum prea complex si prea costisitor, fiind inaccesibil,” a declarat Tucker.
Imprimare 3D rotativa
Inima noii masini este o platforma rotativa ce permite un proces de imprimare de mare viteza. Spre deosebire de masinile conventionale cu fuziune prin laser a pulberilor metalice, care sunt rectilinii — iar un nou strat de pulbere trebuie aplicat dupa ce fiecare strat este topit — masina RAPTURE functioneaza fara oprire datorita platformei sale rotative. Aceasta inseamna ca pulberea este depusa si topita concomitent cu ajutorul laserului, ceea ce sporeste semnificativ productivitatea. Astfel, timpul de fabricatie pentru componentele cilindrice se reduce cu mai mult de doua treimi.
„Acest proces este ideal pentru duzele de racheta, motoarele rotative si multe alte componente din industria aerospatiala”, a declarat dl Tucker. „De obicei, aceste componente au diametre mari, dar pereti foarte subtiri”, adauga el. Desi masina este capabila sa produca si piese fara simetrie axiala sau chiar matrice de piese, metoda rotativa este deosebit de eficienta pentru realizarea precisa a acestei geometrii.
Imprimarea simultana a doua metale
Masina rotativa poate prelucra doua metale diferite intr-o singura operatiune. Sistemele conventionale necesita mai multe etape si o cantitate mult mai mare de pulbere metalica. Deoarece separarea si recuperarea pulberii amestecate ramane o provocare nerezolvata, astazi o mare parte din aceasta pulbere se transforma in deseuri. Insa noua metoda depune materialul doar acolo unde este efectiv necesar in cadrul componentei, reducand astfel risipa.
Masina este prevazuta cu un mecanism care sufla gaz inert peste zona unde pulberea este topita, ceea ce impiedica oxidarea componentei in timpul imprimarii. Funinginea, stropii de material si alti produsi secundari sunt extrasi sistematic printr-un orificiu de evacuare. „La inceput am subestimat masura in care mecanismul de flux de gaz influenteaza calitatea produsului”, spune Tucker. „Acum stim ca este esential.” Gratie arhitecturii rotative a noii masini, conditiile locale ale fluxului de gaz pot fi controlate mult mai precis decat in cazul unei masini conventionale.
Studentii s-au confruntat cu mai multe provocari tehnice in dezvoltarea noii masini de fuziune prin laser a pulberilor metalice, una dintre ele fiind sincronizarea laserului de scanare cu rotatia duzei de gaz si a sistemului de alimentare cu pulbere. In plus, din moment ce multe dintre componentele masinii nu sunt disponibile in comert, echipa si le-a proiectat pe cont propriu. Printre ele se numara o conexiune rotativa pentru duza de gaz si un sistem automat de reumplere cu pulbere metalica in timpul functionarii.
Cu toate acestea, echipa de studenti a reusit sa construiasca o masina care aproape pare pregatita pentru aplicatii industriale. Pentru Tucker, acesta a fost unul dintre momentele deosebite ale proiectului: „Faptul ca o echipa de studenti a dezvoltat si construit o masina functionala in noua luni este cu adevarat remarcabil.”
Potential pentru industria aerospatiala, mobilitate electrica si multe altele
Pe langa aplicatiile concrete pentru ARIS si industria aerospatiala in general, echipa vede potentiale utilizari si in alte sectoare, precum turbinele de aeronave si de gaze, precum si in motoarele electrice, unde geometriile inelare sunt norma. Datorita caracterului sau inovator si potentialului comercial imens, ETH a depus o cerere de brevet pentru tehnologia de fuziune prin laser a pulberilor metalice multi-material, cu pat rotativ, care a fost nominalizata ulterior pentru prestigiosul premiu ETH Spark Award.
Componentele fabricate pana in prezent cu prototipul au un diametru de pana la 20 cm. Echipa de cercetare exploreaza acum posibilitatea de a scala procesul la viteze si diametre mai mari si in acelasi timp cauta parteneri din industrie cu care sa colaboreze la dezvoltarea si implementarea acestei tehnologii revolutionare.
