莱斯大学打造成本仅5000美元的低成本冷喷涂金属3D打印机

2024年4月28日，南极熊获悉，美国莱斯大学一个名为AeroForge的学生团队开发了一种冷喷金属3D打印设备。该设备依靠压力和速度（而不是温度）来制造金属零件，有助于降低成本并提高制造或维修一次性复杂金属零件的质量，从而扩大了金属增材制造技术的范围。

△莱斯大学AeroForge团队和冷喷金属3D打印设备

目前，他们成功使用该设备沉积了铜，并证明了这款原型的可行性和潜力。该项目获得了"优秀毕业设计工程奖"（Excellence in Capstone Engineering Award）和年度"威利革命奖"（Willy Revolution Award for Outstanding Innovation）第一名。另外，AeroForge团队的项目还获得了今年的Hershel M. Rich发明奖，该奖授予莱斯大学工程系的学生或教师，以表彰他们的原创发明开发。

△AeroForge低成本冷喷涂金属3D打印机构建室内部

大学生开发新的冷喷金属3D打印设备

团队成员指出，传统的金属3D打印机一般使用激光将金属粉末熔化成特定形状，但熔化会影响产品的性能。冷喷技术已被用于涂层，它使用速度而不是热量，基本上是快速加速金属颗粒，使其附着在基底上并发生变形。团队设计的系统旨在通过3D打印技术实现这一目标。

该设备的应用包括制造和修复结构复杂的金属部件，如工业装配线或车辆或飞机中使用的部件。依赖金属部件的行业，如汽车、石油和天然气、国防等，会因供应链中断而遭受重大损失。该团队希望其设备能够为按需制造或维修零部件提供一种可行的低成本替代方案。

团队成员Davis Thames在莱斯大学高级设计班开学近一年前首次向队友提出了使用冷喷金属3D打印机的想法，并解释了使用这种技术相比使用焊接的优势。他说：“通常情况下，维修时只能在重塑金属部件时去除材料。但使用这种工艺，你可以添加材料，然后再加工回去。以焊接为例，不同的熔化温度可能会导致材料性能不均匀。而这种设备就不会出现这种问题。”

△3D打印机的上方视角

该设备包括一个气罐，用于向系统输送高压氮气；调节阀门和监控压力与温度的控制器；一个压力容器，用于将气体加热到450°C（842华氏度）；一个粉末进料器，用于将金属粉末以精确的速度注入喷嘴；以及一个定制喷嘴。

团队成员Julianna Dickman解释说：“虽然气体确实会被加热，但它仍然是一个冷喷系统，
因为，当气体在喷嘴中与金属粉末相遇时，气体会从喷嘴中膨胀出来，并迅速冷却，而金属粉末则不会融化，也不会受到温度的影响，温度只会增加气体的速度，从而将其动量传给金属粉末，然后金属粉末就可以加速到我们的基底上并附着在上面。”

所面临的挑战和创新

团队的很多努力都集中在降低成本上，因为许多金属3D打印机的成本都超过100万美元（约合700万人民币）。AeroForge团队用不到5000美元（约合3.5万人民币）就制造出了自己的设备。

除了降低成本团队在安全性和进行技术创新方面取得了重要进展。他们采用内部加工的方式制造部件，如压力容器和喷嘴，以降低成本并确保特定部件的可用性。团队还与莱斯大学的环境健康与安全部门合作，确保技术测试符合安全准则，并实施了复杂的监控系统和数据记录系统以确保安全性。此外，团队还进行了多项安全检查，并进行了大量的代码迭代，以确保设备的有效运行。