中国3D打印机网Nature：加州大学伯克利分校提出高精度3D打印微型离子阱技术
2025年9月4日，在弗劳恩霍夫IGCV中心举办的首届多金属粉末床熔合技术研讨会上，来自苏黎世联邦理工学院的学生展示了一款新型激光粉末床熔合设备，该设备可沿着圆形刀具路径打印圆形部件，从而能够同时加工多种金属。这套增材系统显著缩短了制造时间，并为航空航天和工业领域开辟了新的可能性。苏黎世联邦理工学院已为该设备提交了专利申请。
△视频来源：Rapture / 苏黎世联邦理工学院
得益于旋转平台，新型3D金属打印机能够一步完成金属粉末的沉积和熔合，从而比传统机器运行速度更快。这套系统可一次性处理两种不同的金属，从而简化生产流程并最大限度地减少材料浪费。原型机仅用了九个月就开发完成，并有望应用于航空航天和推进技术——事实上，任何需要轻质、大致圆柱形物体的领域，都适用。
△新型3D打印机允许在旋转平台上通过激光同时熔合两种不同的材料。（图片来源：Michael Tucker / 苏黎世联邦理工学院）
多金属PBF
3D打印已成为增材制造领域的热门话题，因为多种新方法开辟了前所未有的制造可能性，而增材制造（AM）是唯一脱颖而出的生产方法。如今，几乎所有现代火箭发动机都依赖3D打印来最大限度地提高性能，结构与功能紧密结合。苏黎世联邦理工学院的学生现已研制出一台高速多材料金属打印机：一台激光动力床熔合机，可在打印的同时旋转粉末沉积和气流喷嘴，这意味着它可以同时处理多种金属，且没有工艺停滞时间。这台机器将从根本上改变金属零件的3D打印，从而显著缩短生产时间和降低成本。
这支由六名第五和第六学期本科生组成的团队，在联邦理工学院（ETH）Markus
Bambach教授和高级科学家Michael
Tucker的指导下，在先进制造实验室开发了这台新机器，这是“RAPTURE”焦点项目的一部分。仅用九个月的时间，学生们就将他们的想法付诸实践、制造并测试。装置主要针对航空航天领域中近似圆柱形几何形状的应用，例如火箭喷嘴和涡轮机械，但在机械工程领域也具有广泛的应用前景。
提供先进技术
项目负责人塔克解释说，本项目源于一个非常特殊的挑战：为瑞士学术太空计划ARIS（ARIS）开发双液体燃料火箭喷嘴。ARIS正在自主研发用于太空飞行的火箭。未来几年内，ARIS的目标是突破卡门线——国际公认的太空边界，边界高度为100公里。超过这一高度，大气层将变得非常稀薄，无法支持没有特殊推进装置的飞机飞行。
为了承受长时间发射产生的高温和高压，火箭喷嘴最好由多种金属制成。例如，喷嘴内部可以用导热铜制成，并集成冷却通道，外部可以用耐热镍合金制成。塔克说：“对于像我们学生火箭队这样的小团队来说，这种多材料技术迄今为止过于复杂且成本高昂，难以实现。”
旋转3D打印
新机器的核心是一个旋转平台，可实现高速打印。传统的直线激光动力床熔接机在每层粉末熔化后都必须重新添加一层粉末，而
RAPTURE
机器则凭借旋转平台实现了不间断运行。这意味着粉末的添加和激光熔接同时进行，从而显著提高了生产效率。这使得圆柱形部件的制造时间缩短了三分之二以上。
△左图：传统3D打印机；右图：旋转式RAPTURE打印机，激光持续熔化粉末。（图片：Michael Tucker / 苏黎世联邦理工学院）
塔克说道：“这项工艺非常适合制造火箭喷嘴、旋转发动机以及航空航天工业中的许多其他部件。这些部件通常直径很大，但壁很薄。虽然这套机器也能生产非轴对称甚至阵列式的零件，但旋转法对于精确制造这种几何形状尤为有效。”
同时打印两种金属
这台旋转机器可以一次性加工两种不同的金属。传统系统需要多个步骤，并且需要大量的金属粉末。由于混合粉末的分离和回收仍是一个悬而未决的难题，如今许多粉末都变成了废料。新方法只会将材料沉积在部件内真正需要的位置，从而减少浪费。
本装置采用一种机制，将惰性气体吹向粉末熔合区域。这可以防止部件在打印过程中氧化。烟灰、飞溅物和其他副产品会通过排气口系统地排出。塔克说道：“起初，我们低估了气流机制对产品质量的影响。现在我们知道它至关重要。”得益于新开发的机器的旋转结构，局部气流条件的控制比传统机器更加严格。
△直径75毫米的高压涡轮定子成品。（图片：Michael Tucker / 苏黎世联邦理工学院）
定制而非标准组件
在开发新型激光动力床熔接机时，学生们面临着多项技术挑战，其中之一是如何使扫描激光与进气口和粉末供应的旋转同步。此外，由于装置上的许多部件尚未上市，团队自行设计了部件。这些部件包括一个可旋转的进气口连接装置和一个在运行过程中自动补充粉末的系统。
尽管如此，这支学生团队还是成功制造出了一台几乎可以投入工业应用的机器。对塔克来说，这是项目的亮点之一：“一支学生团队在九个月内就开发并制造出一台可以运行的机器，这真是太了不起了。”
航空航天、电动汽车等领域的潜力
除了ARIS和整个航空航天工业的具体应用外，研究团队还看到了其他领域的潜在应用，例如飞机、燃气轮机以及电动机，这些领域通常采用环形几何形状。由于其新颖性和巨大的商业潜力，苏黎世联邦理工学院提交了一份涵盖旋转多材料激光粉末床熔合技术的专利申请，这项技术现已获得苏黎世联邦理工学院星火奖提名。
目前，使用原型样机制造的部件直径最大可达 20 厘米。研究团队目前正在探索将这种工艺扩展到更高速度和更大直径的可能性，并正在寻求行业合作伙伴与他们合作，进一步开发和部署这项革命性技术。
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