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就在这个月初，在弗劳恩霍夫IGCV举办的第一届多金属粉末床熔融技术研讨会上，来自苏黎世联邦理工学院（ETHZurich）的一帮学生，展示了一台相当新奇的激光粉末床熔融（LaserPowderBedFusion, LPBF）设备。

它新奇并不是说它刚刚发明出来，我们在几年前就看过西安交通大学团队类似的方案，只是这次欧洲公开展示被更多的人看到进而分享转发。

简单来说，它的特点是，把传统LPBF设备铺一层粉、扫一遍光、再铺一层粉的直线往复逻辑，改成了边旋转边打印的连续模式。

这不仅大幅提升了打印速度，还顺带解决了多金属打印中的一些痛点。

这个项目代号为RAPTURE，目标直指下一代多材料火箭部件的制造，目前ETH已经为这项技术申请了专利。

聊这个项目，其实得先聊梯度材料。

延伸阅读：TCT展会仍未见到的黑科技！多材料金属3D打印，引领下一个十年

一旦能稳定、高效地在单一零件上实现多种金属材料的无缝集成，从功能梯度材料到集成冷却通道的高温部件，应用想象空间很大。

但这事儿的难点，大家也被困扰很久了：

要么是多个粉仓来回切换效率低下，要么是混合粉末的分离回收几乎成了无解的难题，导致大量昂贵的金属粉末被浪费。

而ETH的这群学生，似乎找到了一条全新的破局之法。

对工艺时间的彻底重构

我们先来看看这台机器最核心的创新点：旋转打印。

传统的LPBF设备，先是用刮刀（recoater）在粉床上来回移动，铺上一层薄薄的金属粉末。

然后激光再在上边工作。

完成一层后，平台下降，刮刀再次出动，周而复始。

这个过程中，刮刀的往复运动和平台的升降，我们称之为工艺死区时间（process deadtime），它占据了整个制造时间的相当一部分。

RAPTURE项目组的这台机器，改变了玩法。

它的核心是一个旋转平台。

送粉器、激光束和惰性气体保护喷嘴被固定在特定的位置，而打印件所在的平台则在下方持续旋转。

这意味着，送粉、熔融和凝固这几个步骤可以同步、连续地进行。

激光不再需要等待刮刀铺完粉，而是可以持续不断地在旋转的粉末流上工作。

项目的高级科学家Michael Tucker博士打了个比方，这套系统特别适合制造那些近似圆柱形的几何体，比如火箭喷管、涡轮机械部件等。

这类零件的共同特点是直径大但壁很薄。

对于这种结构，旋转打印的效率极高。

根据团队的数据，制造一个圆柱形部件的时间，可以缩减超过三分之二。

这对于追求极致效率和成本控制的航空航天领域来说，吸引力是巨大的。

当然，这台机器也能制造非轴对称的零件，甚至是阵列式排布的多个零件。

但无疑，在打印环形或圆柱形结构时，它的优势才能被发挥到淋漓尽致。

不仅仅是快：多材料与低浪费的组合拳

如果说速度只是这台机器的A面，那它的B面是多材料处理能力和极低的材料浪费，更具潜在价值。

我们用一个具体的例子来说明。

这次项目的直接驱动力，来源于瑞士学术航天倡议组织ARIS的一个实际需求。

这个由学生主导的组织正在建造自己的火箭，目标是冲破100公里的卡门线。

他们需要一个双组元液体火箭发动机的喷管，为了承受发射时的高温高压，这种喷管的内部最好由导热性极佳的铜（Cu）合金制成，并集成复杂的冷却通道；

而外部则需要由耐高温的镍（Ni）基高温合金包裹。

在传统工艺中，实现这种异种材料的结合极其复杂。

即使在增材制造领域，用现有的多材料LPBF技术来做，也面临前面提到的粉末交叉污染和浪费问题。

Tucker博士直言：对于像我们学生火箭团队这样的小玩家来说，这种多材料技术一直以来都过于复杂和昂贵，遥不可及。

RAPTURE的旋转架构恰好解决了这个问题。

因为它可以同时集成两个独立的送粉器，在旋转过程中的特定角度和位置精确地输送不同的金属粉末。

粉末只被沉积在需要它的地方，然后立即被激光熔融。

这样一来，就从源头上避免了不同粉末的大面积混合。

那些混在一起难以分离的昂贵粉末，在这里材料浪费被降到了最低。

重新设计工艺环境控制

任何一个做金属打印的朋友都知道，惰性气体保护（通常是氩气）多重要。

它不仅要防止金属在高温下氧化，还要有效地带走熔池产生的飞溅物（spatter）和金属蒸气（soot）。

在传统的大尺寸LPBF设备中，要维持整个打印仓内气流的均匀性和稳定性，是一个巨大的挑战。

RAPTURE的旋转设计在这里又一次展现了它的巧妙之处。

由于送粉和熔化的区域是相对固定的，保护气流可以被设计得非常聚焦和高效。

团队设计了一个专门的结构，让惰性气体直接吹扫熔化区，然后通过一个出口系统地将所有副产品抽走。

Tucker博士坦言，他们一开始低估了气流控制对打印质量的影响，但后来发现这是决定性的。

旋转架构让他们能够比传统设备更精确地控制局部气流条件，这对于最终零件的冶金质量和力学性能至关重要。

值得一提的是，这个项目从概念到原型机落地，只花了6个本科生9个月的时间。

期间他们还遇到了很多工程难题，比如如何让扫描振镜与旋转平台精确同步，以及由于市面上没有现成零件，他们自己设计了可旋转的气路接头、运行中自动补粉的系统等等。

能做到这个完成度，让我们印象深刻。

从火箭到电动机：商业化的想象空间

现在，让我们跳出技术细节，看看它的未来。

这项技术的第一个也是最直接的应用场景，就是ARIS的火箭项目以及更广泛的航空航天领域。

除了火箭喷管，航空发动机、燃气轮机中的各种环形件都是它的潜在客户。

但团队的目光不止于此。

他们认为，在电动汽车领域，特别是电动机的制造中，也存在大量环形几何部件，这项技术同样大有可为。

目前，这台原型机可以制造直径最大为200mm的部件。

团队正在探索如何进一步提升打印速度和扩大打印尺寸，并且已经开始积极寻求工业界的合作伙伴，共同推动这项技术的商业化落地。

凭借其新颖性和巨大的商业潜力，这项技术不仅获得了ETH Spark奖的提名，也已经由校方提交了专利申请。

虽然这项技术目前还主要聚焦于轴对称或近似轴对称的零件，但这已经覆盖了航空航天、能源动力等多个高价值领域的核心部件。

或许能在不远的将来，这样的技术方案为高端金属制造领域可以出现带来一些新的改变。

我们会持续关注它的后续进展。