ETH苏黎世的学生团队成功研发了一款高速多材料3D打印机，采用旋转激光粉末床熔融技术，能够同时处理多种金属，极大提高了生产效率，减少了材料浪费。该技术特别适用于航空航天领域，如火箭喷管和涡轮机械等环形结构部件，且能够显著缩短生产周期。与传统的3D打印机不同，RAPTURE系统通过连续喷粉与激光熔化相结合，实现了高效、低成本的金属增材制造。ETH苏黎世已为该技术申请专利，并计划与行业伙伴合作，将其推向更广泛的应用领域，包括航空发动机、燃气涡轮及电动机等。
ETH 苏黎世的一个学生团队开发了一款高速多材料金属 3D 打印机：这是一种激光粉末床熔融系统，在打印过程中同时旋转粉末沉积和气流喷嘴。这个设计使得机器能够同时处理多种金属，且无需停机，从而潜力巨大，能够通过减少生产时间和成本来彻底改变金属增材制造。
该系统由六名本科生在第五和第六学期完成，作为 ETH 苏黎世先进制造实验室 Focus Project RAPTURE 的一部分，由 ETH 教授 Markus Bambach 和高级科学家 Michael Tucker 指导。在短短九个月内，团队设计、建造并测试了这台打印机。尽管该技术主要用于航空航天领域的圆柱形零件（如火箭喷管和涡轮机械），但也具有广泛的机械工程应用潜力。
这款新型 3D 打印机可以通过旋转平台将两种不同的材料同时通过激光熔化融合。图源：ETH 苏黎世。
旋转打印和多金属能力
Tucker 解释道，这一努力源于一个非常具体的挑战：为瑞士学术航天计划 ARIS 创建双液体燃料火箭喷管，ARIS 计划自行制造火箭，目标是最终进入太空。ARIS 希望在未来几年内到达卡门线（Kármán Line）——国际公认的太空边界，位于 100 公里高度，超过此高度传统飞机无法飞行。
火箭喷管必须在极端的高温和高压条件下工作，因此理想的做法是将不同的金属组合使用。“对于像我们的学生火箭团队这样的年轻团队来说，之前这种多材料技术由于过于复杂和昂贵，一直无法触及，” Tucker 说道。
RAPTURE 打印机的核心是一块旋转平台，能够实现连续高速打印。与传统的激光粉末床熔融系统不同，后者在每一层之间会暂停以添加新粉末，而旋转设计能够同时喷粉并熔化，这大大提高了生产力，将圆柱形组件的制造时间减少了三分之二以上。
“这个过程非常适合火箭喷管、旋转发动机以及航空航天领域的许多其他部件，” Tucker 说道。“这些部件通常直径较大，但壁薄，”他补充道。尽管该机器也可以生产非轴对称形状或多个零件的阵列，但旋转方法对于圆柱几何形状尤其有效。
左：传统 3D 打印机；右：旋转 RAPTURE 打印机，在其上激光持续熔化粉末。图源：ETH 苏黎世。
另一个关键优势是能够在一个操作中处理两种不同的金属。传统的系统需要多个步骤和更大量的粉末，其中大部分粉末会变成废料，因为分离混合粉末仍然是一个困难的过程。而 RAPTURE 系统仅在需要的地方沉积材料，最大限度地减少了浪费。为了进一步提高质量，该机器还集成了气流系统，通过吹送惰性气体到熔化区以防止氧化，同时通过出口排出副产品。
定制部件与未来潜力
制造这台机器时，团队面临了诸多工程挑战，例如使扫描激光与旋转气体入口和粉末供应系统同步。由于许多所需部件并未商业化，学生们设计了定制部件，包括可旋转的气体连接和自动粉末补充系统。尽管面临这些难题，团队仍然成功创建了一个接近工业应用的系统。“一支学生团队在九个月内设计并建造出一台功能齐全的机器，实在是非常了不起，” Tucker 说道。
除了 ARIS 和航空航天，团队还看到了这项技术在飞机涡轮、燃气涡轮和电动机等领域的应用，环形几何形状在这些领域中非常常见。鉴于其创新性和商业潜力，ETH 苏黎世已经为该旋转多材料激光粉末床熔融技术申请了专利，并将其提名为 ETH Spark 奖。
迄今为止，该原型机已经能够生产直径达到 20 厘米的零件，研究人员现在正致力于将该过程扩展到更大的尺寸和更高的速度。他们还在寻求行业合作伙伴，帮助将这项技术推广到更广泛的应用中。
激光粉末床熔融技术的进展
RAPTURE 项目是激光粉末床熔融技术创新浪潮的一部分。今年 4 月，总部位于美国的先进金属增材制造技术开发公司 ADDiTEC 在底特律的 RAPID + TCT 2025 展会期间发布了其首个激光粉末床熔融系统。该新平台名为 Fusion S，扩展了该公司原本专注于定向能量沉积（DED）和液态金属喷射（LMJ）技术的产品线。随着这一发布，ADDiTEC 成为全球少数几家提供三种互补金属增材制造技术的公司之一。
类似地，爱尔兰医疗器械制造商 Croom Medical 推出了 TALOS，这是一种用于 3D 打印铌（Ta）金属的 LPBF 平台。该公司将 TALOS 描述为医疗植入物和工业应用的突破，突显了 LPBF 技术在各个领域不断扩展的能力和多功能性。
