萊斯大學(xué)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(xué)一個名為AeroForge的學(xué)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(fù)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(xué)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(xué)工程系的學(xué)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(xué)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(fù)結(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)高級設(shè)計班開學(xué)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(dǎo)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(xué)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(fù)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,。