NASA開辟3D打印火箭發(fā)動機零件新技術(shù)

魔猴君  科技前沿   3478天前

據(jù)美國國家航空航天局（NASA）官網(wǎng)2015年4月21日報道，NASA工程人員正通過利用增材制造技術(shù)制造首個全尺寸銅合金火箭發(fā)動機零件以節(jié)約成本，NASA空間技術(shù)任務(wù)部負責(zé)人表示，這是航空航天領(lǐng)域3D打印技術(shù)應(yīng)用的新里程碑。

增材制造技術(shù)以獨特優(yōu)勢贏得發(fā)達國家的青睞

增材制造（AM）技術(shù)又稱為快速原型、快速成形、快速制造、3D打印技術(shù)等，是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系?；诓煌姆诸愒瓌t和理解方式，增材制造技術(shù)的內(nèi)涵仍在不斷深化，外延也不斷擴展。增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及復(fù)雜的加工工序，在一臺設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其制造速度的作用就越顯著。

歐美發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展和推動增材制造技術(shù)的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，增材制造技術(shù)已受到政府、研究機構(gòu)、企業(yè)和媒體的廣泛關(guān)注。2012年3月，美國白宮宣布了振興美國制造的新舉措，將投資10億美元幫助美國制造體系的改革。其中，白宮提出實現(xiàn)該項計劃的三大背景技術(shù)包括了增材制造，強調(diào)了通過改善增材制造材料、裝備及標準，實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的小批量、低成本數(shù)字化制造。2012年8月，美國增材制造創(chuàng)新研究所成立，聯(lián)合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學(xué)、40余家企業(yè)、11家非營利機構(gòu)和專業(yè)協(xié)會。

其他歐洲國家也在積極跟進增材制造技術(shù)的研發(fā)。英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費。以前僅有拉夫堡大學(xué)一個增材制造研究中，諾丁漢大學(xué), 謝菲爾德大學(xué)、?？巳卮髮W(xué)和曼徹斯特大學(xué)等相繼建立了增材制造研究中心。英國工程與物理科學(xué)研究委員會中設(shè)有增材制造研究中心，參與機構(gòu)包括拉夫堡大學(xué)、伯明翰大學(xué)、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學(xué)、研究機構(gòu)及企業(yè)。法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術(shù)標準的研究。在政府資助下，西班牙啟動了一項發(fā)展增材制造的專項，研究內(nèi)容包括增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容。

金屬3D打印在航空航天領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大效益

目前，除了美國外，其他一些發(fā)達國家也在積極推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用。澳大利亞政府于2012年啟動“微型發(fā)動機增材制造技術(shù)”項目，旨在使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動機零部件。日本政府也很重視增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，有力促進該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。之所以會產(chǎn)生這一熱潮，是因為金屬3D打印增材制造技術(shù)對航空航天領(lǐng)域帶來的效益是廣泛的。

第一，加速新型航空航天器的研發(fā)。金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)擺脫了模具制造這一顯著延長研發(fā)時間的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，兼顧高精度、高性能、高柔性，可以快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件，為先進航空航天器的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。

第二，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量。減輕結(jié)構(gòu)重量是航空航天器最重要的技術(shù)需求，傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)被發(fā)揮到接近極限，難以再有更大的作為。而金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計來顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。

第三，顯著節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略金屬材料。航空航天器由于對高性能的需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但很多零件的材料利用率非常低，一般低10%，有時甚至于僅為2%-5%。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑，同時伴隨著極大的機械加工量。作為一種高性能近凈成型技術(shù)，金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60%-95%，甚至更高，同時也就顯著減少了機械加工量。

第四，制造一些過去無法實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)，包括：最合理的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)；通過最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最理想的溫度控制手段；通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料分布實現(xiàn)振動頻率特征的調(diào)控，避免危險的共振效應(yīng)；通過多材料任意復(fù)合實現(xiàn)一個零件的不同部位分別滿足不同的技術(shù)需求等。

第五，通過激光組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)制造技術(shù)，使鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)手段更好地發(fā)揮作用。激光立體成型技術(shù)可以實現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，從而可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的零件上任意添加精細結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。這就可以把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術(shù)高效率、低成本的優(yōu)勢結(jié)合起來，形成最佳的制造策略。

美國開辟航天發(fā)動機零件3D打印的“新天地”

增材制造技術(shù)是有助于NASA繼續(xù)探月行動，甚至維持火星探測人員生存的眾多技術(shù)之一。發(fā)動機是由大量不同材料制成的復(fù)雜零件組裝而成，其提供的推力為火箭提供動力。增材制造具有降低火箭零件制造時間和成本的潛能，如火箭燃燒室銅合金內(nèi)襯，在火箭燃燒室內(nèi)超冷推進劑被混合并加熱到將火箭送到太空所需的極端溫度。在紙一樣厚的銅合金內(nèi)襯壁里面，溫度激增到2760 ，通過氣體循環(huán)，將內(nèi)襯壁外面的溫度冷卻到絕對零度以上100 以下，來防止熔化，銅合金內(nèi)襯是專為實現(xiàn)這一目的而制造。為了使氣體循環(huán)，在燃燒室內(nèi)襯內(nèi)、外壁之間建造了200多條復(fù)雜通道。

這種具有復(fù)雜內(nèi)部幾何特征的小通道對NASA增材制造團隊帶來挑戰(zhàn)。馬歇爾太空飛行中心材料與加工實驗室采用其選擇性激光熔融設(shè)備融合了8255層銅合金粉末，在10天零18小時的時間內(nèi)制造了燃燒室內(nèi)襯。在制造燃燒室內(nèi)襯之前，材料工程師建造了幾個其他試驗件，對材料進行了表征，且設(shè)計創(chuàng)造了銅合金增材制造工藝。銅合金具有極好的導(dǎo)熱性，這也是銅合金作為發(fā)動機燃燒室及其他零件內(nèi)襯理想材料的原因。然而，這種屬性卻為銅合金增材制造帶來挑戰(zhàn)，因為激光很難連續(xù)熔化銅合金粉末。

目前，僅有少量銅合金火箭零件的可采用增材制造技術(shù)來制造。因此，NASA正在通過3D打印一個火箭零件來開辟技術(shù)新天地，這一組件必須經(jīng)受極端高溫和低溫，且具有復(fù)雜的冷卻通道，該通道是建造在內(nèi)壁厚度為鉛筆斑痕的外部上的。該零件是由NASA格倫研究中心的材料科學(xué)家創(chuàng)造的GRCo-84銅合金建造而成。格倫研究中心廣泛的材料表征有助于驗證3D打印的工藝參數(shù)，確保建造質(zhì)量。格倫研究中心將開發(fā)材料機械性能的廣泛數(shù)據(jù)庫，用于指導(dǎo)未來的3D打印火箭發(fā)動機設(shè)計。

制造銅合金發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯僅僅是低成本火箭上面級推進項目的第一步，該項目由NASA空間技術(shù)任務(wù)部的顛覆性開發(fā)計劃資助。NASA的顛覆性計劃資助那些將變革未來太空活動的技術(shù)開發(fā)，包括NASA的探月計劃。對于工程人員而言，項目的下一步是將銅合金內(nèi)襯運送到NASA的蘭利研究中心，采用電子束自由成形在銅合金內(nèi)襯外部直接沉積鎳合金結(jié)構(gòu)外殼。之后，預(yù)計于今年夏季在馬歇爾飛行中心進行發(fā)動機部件的熱點火測試，以確定在模擬的極端溫度和壓力條件下，發(fā)動機的運行情況。

美國矢志研發(fā)先進發(fā)動機或與俄美交惡有關(guān)

長期以來，美國在航空航天大推力發(fā)動機技術(shù)方面需要向俄羅斯“彎腰”。最近，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司宣稱，美國進口俄制RD-180發(fā)動機已有15年的歷史，期間從來沒有發(fā)生過供應(yīng)鏈中斷問題，在世界航天領(lǐng)域被視為國際合作典范。雖然該發(fā)動機性能可靠、價格便宜、供貨穩(wěn)定，但事關(guān)美國國家安全的發(fā)射任務(wù)卻依賴俄羅斯的發(fā)動機，一直都是美國政府的隱憂。隨著烏克蘭局勢持續(xù)緊張，美國不斷升級制裁措施。俄羅斯也不示弱，一度借威脅禁止俄制RD-180發(fā)動機用于美國航天發(fā)射任務(wù)來回擊美國制裁。

由美國航天專家組成的一個委員會對于在不使用俄制RD-180發(fā)動機條件下的美國發(fā)射情況進行了展望。委員會發(fā)現(xiàn)，失去俄制RD-180發(fā)動機將會導(dǎo)致31項任務(wù)的延遲，損失多達50億美元，另外還會對空軍長期的國家安全發(fā)射合同競爭造成重要影響。鑒于“宇宙神”-5火箭在美國有效載荷發(fā)射任務(wù)中的重要地位，以及新型液體火箭發(fā)動機研制一般需要數(shù)年時間，尋找RD-180替代方案成為美國當(dāng)前的一個緊迫事項。

為了提高美國工業(yè)競爭力，美國制造商將可使用由馬歇爾飛行中心管理的NASA材料和加工信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。該項目負責(zé)人稱，其目標是將火箭發(fā)動機零件的建造速度提高10倍，成本降低50%以上。項目團隊不僅僅是試著制造和測試一個零件，而是正在開發(fā)一種可重復(fù)的工藝，使工業(yè)界可采用該工藝制造具有先進設(shè)計的發(fā)動機零件。最終目標是提高火箭發(fā)動機建造的經(jīng)濟可承受性。（本文來源：網(wǎng)易）