סטודנטים ב- ETH ציריך פיתחו מכונת היתוך מיטת אבקת לייזר העוקבת אחר נתיב כלי מעגלי להדפסת רכיבים עגולים, המאפשרת עיבוד של מתכות מרובות בבת אחת. המערכת מפחיתה משמעותית את זמן הייצור ופותחת אפשרויות חדשות לחולל ותעשייה. ETH הגיש בקשת פטנט למכונה, והתוצאות מתפרסמות בCirp Annals.
כיום, כמעט כל מנועי הרקטות המודרניים מסתמכים על הדפסת תלת מימד כדי למקסם את הביצועים שלהם עם צימוד הדוק בין מבנה לתפקוד. סטודנטים ב- ETH ציריך בנו כעת מדפסת מתכת רב-חומרית גבוהה במהירות גבוהה: מכונת היתוך מיטת לייזר מיטת לייזר שמסובבת את תמצית האבקה ואת חרירי זרימת הגז בזמן שהיא מדפיסה, מה שאומר שהיא יכולה לעבד מספר מתכות בו זמנית וללא תהליך זמן מת. המכונה יכולה לשנות באופן בסיסי את הדפסת התלת מימד של חלקי מתכת, וכתוצאה מכך להפחתה משמעותית בזמן הייצור ובעלות.
הצוות של שישה סטודנטים לתואר ראשון בסמסטרים החמישית והשישית שלהם פיתח את המכונה החדשה במעבדת הייצור המתקדמת בהנחייתם של פרופסור ETH מרקוס במבך והמדען הבכיר מייקל טאקר כחלק מהפרויקט המוקד. תוך תשעה חודשים בלבד התלמידים הבינו, בנו ובחנו את הרעיון שלהם. המכונה מכוונת במיוחד ליישומים בחלל וחלל הכוללים גיאומטריות גליליות בערך, כמו חרירי טילים וטורבומכינריה, אך היא גם מעניינת להנדסת מכונות.
מתן גישה לטכנולוגיה מתקדמת
מוביל הפרויקט טאקר מסביר כי הפרויקט התרחש מאתגר מאוד ספציפי: פיתוח חרירי טילים דו-נוזלים עם נוזלים עבור אריס, יוזמת החלל האקדמי השוויצרי, שבונה רקטות משלה עם חזיונות של להגיע לחלל. במהלך השנים הקרובות, אריס שואף להגיע לקו Kármán-גבול המרחב המוכר הבינלאומי שנקבע בגובה של 100 ק"מ, שמעבר לאטמוספרה דקה מכדי לתמוך בטיסה על ידי מטוסים ללא הנעה מיוחדת.
על מנת לעמוד בחום והלחץ העז על פני שיגור מורחב, יש לעשוי באופן אידיאלי חרירי טילים מתכות מרובות. לדוגמה, הפנים שלהם יכולים להיות עשויים נחושת מוליך חום עם תעלות קירור משולבות והחלק החיצוני שלהם מסגסוגת ניקל עמידה בחום. "עבור שחקנים קטנים כמו צוות הרקטות הסטודנטים שלנו, סוג כזה של טכנולוגיה רב-חומרית הייתה עד כה מורכבת מדי ויקרה מדי, והוציאה אותה מהישג יד", אומר טאקר.
הדפסת תלת מימד סיבובית
לב המכונה החדשה הוא פלטפורמה מסתובבת המאפשרת תהליך הדפסה במהירות גבוהה. בניגוד למכונות היתוך מיטת לייזר לייזר ישר קונבנציונאליות, בהן יש ליישם שכבה חדשה של אבקה לאחר נמס כל שכבה, מכונת ההתלהבות עובדת ללא הפסקה בזכות הרציף המסתובב שלה. המשמעות היא שאבקה מיושמת ומתמזגת על ידי הלייזר בו זמנית, מה שמגביר משמעותית את הפרודוקטיביות. זה מקטין את זמן הייצור של רכיבים גליליים ביותר משני שלישים.
"תהליך זה מתאים באופן אידיאלי לחרירי טילים, למנועים מסתובבים ולרכיבים רבים אחרים בתעשיית התעופה והחלל", אומר טאקר. "בדרך כלל יש להם קוטר גדול אך קירות דקים מאוד", הוא מוסיף. בעוד שהמכונה מסוגלת גם לייצר מערכי חלקים לא-סיממטריים או אפילו של חלקים, השיטה המסתובבת יעילה במיוחד לייצור גיאומטריה זו בדיוק.
הדפסת שתי מתכות בו זמנית
המכונה המסתובבת יכולה לעבד שתי מתכות שונות בפעולה יחידה. מערכות קונבנציונאליות דורשות מספר שלבים וכמות גדולה בהרבה של אבקת מתכת. מכיוון שהפרדה והתאוששות של אבקה מעורבת נותרה אתגר פתוח, כיום חלק גדול מאבקה זו הופכת לבזבוז. השיטה החדשה מפקידה רק את החומר בו הוא נחוץ למעשה בתוך הרכיב, ובכך מפחיתה פסולת.
המכונה כוללת מנגנון שמפוצץ גז אינרטי על האזור בו התמזגה האבקה. זה מונע את החמצון של הרכיב בזמן שהוא מודפס. פיח, מרוסן ותוצרי לוואי אחרים מופקים באופן שיטתי באמצעות יציאה. "בהתחלה הערכנו עד כמה מנגנון זרימת הגז משפיע על איכות המוצר", אומר טאקר. "עכשיו אנחנו יודעים שזה חיוני." הודות לארכיטקטורה המסתובבת של המכונה החדשה שפותחה, ניתן לשלוט בתנאי זרימת הגז המקומיים הרבה יותר חזק מאשר עם מכונה קונבנציונאלית.
רכיבים מותאמים אישית ולא סטנדרטיים
התלמידים התמודדו עם מספר אתגרים טכניים בעת פיתוח מכונת היתוך מיטת אבקת לייזר הרומנטית, שאחת מהן הייתה כרוכה בסנכרון של לייזר הסריקה עם סיבוב כניסת הגז ואספקת האבקה. בנוסף, מכיוון שרבים מהחלקים הדרושים למכונה אינם זמינים מסחרית, הצוות עיצב את שלהם. אלה כוללים חיבור סיבוב לכניסת הגז ומערכת שממלאת את האבקה באופן אוטומטי במהלך הפעולה.
עם זאת, צוות הסטודנטים הצליח לבנות מכונה שכמעט נראית מוכנה ליישום תעשייתי. מבחינת טאקר, זה היה אחד משיאי פרויקט המיקוד: "העובדה שצוות סטודנטים פיתח ובנה מכונה מתפקדת בתשעה חודשים זה די מדהים."
פוטנציאל לחלל, ניידות אלקטרונית ועוד
כמו גם יישומים קונקרטיים עבור ARIS ולתעשיית התעופה והחלל בכלל, הצוות רואה יישומים פוטנציאליים במגזרים אחרים, כמו למשל בטורבינות מטוסים וגז, ולמנועים חשמליים שבהם גיאומטריות בצורת טבעת הן הנורמה. בשל החידוש והפוטנציאל המסחרי האדיר שלה, הוגשה בקשת פטנטים על ידי ETH המכסה את טכנולוגיית היתוך אבקת לייזר רב-חומרית סיבובית, שהייתה מאז מועמדת לפרס ה- ETH Spark.
לרכיבים המיוצרים עד כה עם האב -טיפוס יש קוטר של עד 20 סנטימטרים. צוות המחקר בוחן כעת את קנה המידה של התהליך למהירויות גבוהות יותר וקטרים גדולים יותר, וכעת הם מחפשים שותפים בתעשייה לשתף איתם פעולה כדי לפתח ולפרוס טכנולוגיה מהפכנית זו.
