萊斯大學打造成本僅5000美元的低成本冷噴涂金屬3D打印機

2024年4月28日，南極熊獲悉，美國萊斯大學一個名為AeroForge的學生團隊開發(fā)了一種冷噴金屬3D打印設(shè)備。該設(shè)備依靠壓力和速度（而不是溫度）來制造金屬零件，有助于降低成本并提高制造或維修一次性復雜金屬零件的質(zhì)量，從而擴大了金屬增材制造技術(shù)的范圍。

△萊斯大學AeroForge團隊和冷噴金屬3D打印設(shè)備

目前，他們成功使用該設(shè)備沉積了銅，并證明了這款原型的可行性和潛力。該項目獲得了"優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計工程獎"（Excellence in Capstone Engineering Award）和年度"威利革命獎"（Willy Revolution Award for Outstanding Innovation）第一名。另外，AeroForge團隊的項目還獲得了今年的Hershel M. Rich發(fā)明獎，該獎授予萊斯大學工程系的學生或教師，以表彰他們的原創(chuàng)發(fā)明開發(fā)。

△AeroForge低成本冷噴涂金屬3D打印機構(gòu)建室內(nèi)部

大學生開發(fā)新的冷噴金屬3D打印設(shè)備

團隊成員指出，傳統(tǒng)的金屬3D打印機一般使用激光將金屬粉末熔化成特定形狀，但熔化會影響產(chǎn)品的性能。冷噴技術(shù)已被用于涂層，它使用速度而不是熱量，基本上是快速加速金屬顆粒，使其附著在基底上并發(fā)生變形。團隊設(shè)計的系統(tǒng)旨在通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)這一目標。

該設(shè)備的應(yīng)用包括制造和修復結(jié)構(gòu)復雜的金屬部件，如工業(yè)裝配線或車輛或飛機中使用的部件。依賴金屬部件的行業(yè)，如汽車、石油和天然氣、國防等，會因供應(yīng)鏈中斷而遭受重大損失。該團隊希望其設(shè)備能夠為按需制造或維修零部件提供一種可行的低成本替代方案。

團隊成員Davis Thames在萊斯大學高級設(shè)計班開學近一年前首次向隊友提出了使用冷噴金屬3D打印機的想法，并解釋了使用這種技術(shù)相比使用焊接的優(yōu)勢。他說：“通常情況下，維修時只能在重塑金屬部件時去除材料。但使用這種工藝，你可以添加材料，然后再加工回去。以焊接為例，不同的熔化溫度可能會導致材料性能不均勻。而這種設(shè)備就不會出現(xiàn)這種問題�！�

△3D打印機的上方視角

該設(shè)備包括一個氣罐，用于向系統(tǒng)輸送高壓氮氣；調(diào)節(jié)閥門和監(jiān)控壓力與溫度的控制器；一個壓力容器，用于將氣體加熱到450°C（842華氏度）；一個粉末進料器，用于將金屬粉末以精確的速度注入噴嘴；以及一個定制噴嘴。

團隊成員Julianna Dickman解釋說：“雖然氣體確實會被加熱，但它仍然是一個冷噴系統(tǒng)，
因為，當氣體在噴嘴中與金屬粉末相遇時，氣體會從噴嘴中膨脹出來，并迅速冷卻，而金屬粉末則不會融化，也不會受到溫度的影響，溫度只會增加氣體的速度，從而將其動量傳給金屬粉末，然后金屬粉末就可以加速到我們的基底上并附著在上面。”

所面臨的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新

團隊的很多努力都集中在降低成本上，因為許多金屬3D打印機的成本都超過100萬美元（約合700萬人民幣）。AeroForge團隊用不到5000美元（約合3.5萬人民幣）就制造出了自己的設(shè)備。

除了降低成本團隊在安全性和進行技術(shù)創(chuàng)新方面取得了重要進展。他們采用內(nèi)部加工的方式制造部件，如壓力容器和噴嘴，以降低成本并確保特定部件的可用性。團隊還與萊斯大學的環(huán)境健康與安全部門合作，確保技術(shù)測試符合安全準則，并實施了復雜的監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)以確保安全性。此外，團隊還進行了多項安全檢查，并進行了大量的代碼迭代，以確保設(shè)備的有效運行。