透過(guò)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)金屬零件，洞悉無(wú)支撐3D打印的四兩撥千斤

魔猴君  行業(yè)資訊   961天前

隨著發(fā)生衛(wèi)星的需求快速增加，越來(lái)越多的公司正在競(jìng)相開(kāi)發(fā)更小、成本更低的火箭來(lái)支持衛(wèi)星發(fā)射。2022 年 4 月 21 日，Launcher 的 E-2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在美國(guó)宇航局斯坦尼斯航天中心獲得成功測(cè)試。E-2 是一種封閉循環(huán) 3D 打印的高性能液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，為 Launcher Light 運(yùn)載火箭開(kāi)發(fā)（計(jì)劃于 2024 年首次發(fā)射）。值得一提的是E-2 發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)運(yùn)用無(wú)支撐金屬3D打印的技術(shù)，起到了四兩撥千斤的作用。

3D打印液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)© Launcher

航空航天增材制造應(yīng)用發(fā)展方向

成就復(fù)雜精密的零件

Launcher E?2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)和低成本進(jìn)行了優(yōu)化，3D打印助力引擎達(dá)到了令人難以置信的技術(shù)水平：成就更高性能的液氧(LOX)和煤油(RP?1)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

從一開(kāi)始，E?2就被設(shè)計(jì)成最高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)在小型衛(wèi)星發(fā)射器類中推力最大，推進(jìn)劑最低消耗量和每磅推力的最低成本。但是像E?2這樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要使用同樣創(chuàng)新的技術(shù)。為了幫助 E?2 從設(shè)計(jì)過(guò)渡到完全實(shí)現(xiàn)的部件，Launcher在每個(gè)階段利用3D打印和增材制造(AM)開(kāi)發(fā)，這有助于降低項(xiàng)目成本并優(yōu)化其設(shè)計(jì)大量生產(chǎn)。

© Velo 3D & Launcher

如果任何液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，到達(dá)軌道后，渦輪分子泵是該項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的部分之一……或者至少是挑戰(zhàn)的一半，用于分級(jí)燃燒的渦輪泵，由于封閉的循環(huán)，挑戰(zhàn)的水平會(huì)增加。

Launcher 的工程師要求 LOX 泵的葉輪高度平衡，使其能夠以所需的30,000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)，在低溫條件下，同時(shí)運(yùn)輸液氧。3D打印的30,000 rpm 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生大約在渦輪機(jī)產(chǎn)生 1 兆瓦的電力，在這種類型環(huán)境，在 4000 psi 的排放壓力下，任何異常，包括轉(zhuǎn)子和定子之間的任何摩擦，都可能導(dǎo)致計(jì)劃外的拆卸。

根據(jù)觀察，通過(guò)3D打印技術(shù)制造整體式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是從事小型航天器發(fā)射的航天公司的技術(shù)聚焦點(diǎn)之一。對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)而言，航空航天業(yè)一直是一個(gè)難以進(jìn)入的市場(chǎng)，挑戰(zhàn)并非僅僅來(lái)自知識(shí)產(chǎn)權(quán)，除了需要與現(xiàn)有的航空航天業(yè)供應(yīng)商巨頭競(jìng)爭(zhēng)，像Launcher這樣的初創(chuàng)企業(yè)還面對(duì)多方面的挑戰(zhàn)與壓力。

常用的金屬3D打印技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是零件的懸垂表面往往需要支撐材料，這些支撐結(jié)構(gòu)難以正確設(shè)計(jì)，并且在后處理過(guò)程中從零件中移除既困難又昂貴。對(duì)支撐材料的需求通常會(huì)導(dǎo)致工程師為了避免需要支撐材料而犧牲其優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且修改現(xiàn)有設(shè)計(jì)的可3D打印性。

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之前，為了避免使用難以移除的內(nèi)部支撐，增材制造工程師被迫將葉輪傾斜一個(gè)角度以完成增材制造。這種傾斜，旨在使零件可3D打印，但通常會(huì)產(chǎn)生不平衡的幾何形狀，這對(duì)這種類型的組件是有害的。3D科學(xué)谷了解到雖然這種方法可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)看起來(lái)像功能性葉輪的零件，但以這種方式3D打印的金屬打印零件通常會(huì)變得拉長(zhǎng)或不圓，并且無(wú)法在最終產(chǎn)品所需的公差范圍內(nèi)進(jìn)行平衡。

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通過(guò)Stratasys的直接制造服務(wù)，Launcher制造一個(gè)平衡良好的誘導(dǎo)葉輪，它將加速并驅(qū)動(dòng)LOX進(jìn)入燃燒室，從而產(chǎn)生更大的流體流動(dòng)并最終為火箭提供更大的推力。

通過(guò)集成兩個(gè)獨(dú)立的零件，將誘導(dǎo)輪和葉輪合二為一，通過(guò)3D打印成為效率更高的零件，打印材料是INCONEL?718，是一種耐腐蝕材料，具有良好的液氧兼容性和出色的低溫下的機(jī)械強(qiáng)度。

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 硬件與軟件的組合實(shí)力

根據(jù)了解，當(dāng)前航空航天采用金屬增材制造存在著一些障礙與挑戰(zhàn)，與更簡(jiǎn)單的 3D 打印技術(shù)相比，金屬增材制造本質(zhì)上涉及對(duì)過(guò)程的更嚴(yán)格控制。這些反過(guò)來(lái)又可能成為該行業(yè)許多人的進(jìn)入障礙。以惰性氣體（也稱為稀有氣體）的問(wèn)題為例。金屬 3D 打印需要充滿這些氣體的封閉構(gòu)建室，以確保零件質(zhì)量。對(duì)于確保氧氣不會(huì)進(jìn)入并導(dǎo)致脆化或其他不良冶金條件至關(guān)重要。

材料的反應(yīng)性越強(qiáng)在加工方面是另外一個(gè)挑戰(zhàn)，例如與航空工業(yè)首選的鈦或其他合金，由于其高強(qiáng)度重量比，可能的損壞就越大。這是因?yàn)檠鯕夂蜌錃鈺?huì)在零件中產(chǎn)生高孔隙率水平，從而對(duì)強(qiáng)度和剛度特性產(chǎn)生負(fù)面影響。

因此，氣體調(diào)節(jié)很重要，因?yàn)闆](méi)有它，用戶將獲得不太完美的結(jié)果，這顯然不是航空航天等安全關(guān)鍵行業(yè)的選擇。在使用傳統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)這種惰性氣體流量以跟上激光發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的煙灰通常是一個(gè)問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致煙灰堆積會(huì)干擾傳遞到粉末床的能量，從而導(dǎo)致結(jié)果不一致。

除了氣體問(wèn)題，另一個(gè)潛在的障礙與軟件有關(guān)。值得注意的是，該公司指出，許多傳統(tǒng)解決方案不提供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，也不允許用戶提前優(yōu)化構(gòu)建參數(shù)。如果沒(méi)有具體、可靠的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，用戶將無(wú)法捕獲可用的指標(biāo)，從而使用戶無(wú)法識(shí)別打印過(guò)程中的缺陷。這反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致更多的構(gòu)建失敗，因?yàn)榱慵挥性诹鞒掏瓿珊蟛疟蛔R(shí)別為有缺陷的。當(dāng)涉及到參數(shù)時(shí)，這也是一個(gè)問(wèn)題。如果系統(tǒng)無(wú)法優(yōu)化特定零件的參數(shù)，則用戶被迫進(jìn)行多次構(gòu)建以微調(diào)設(shè)計(jì)以達(dá)到所需的最終質(zhì)量。這既浪費(fèi)又昂貴，對(duì)希望采用金屬增材制造的業(yè)內(nèi)人士構(gòu)成了重大障礙。

最后，航空航天公司進(jìn)入金屬增材制造市場(chǎng)的最大障礙之一是鋪粉刮刀刀片，當(dāng)零件過(guò)熱導(dǎo)致可以到達(dá)刀片的突起時(shí)，是激光粉末床系統(tǒng)構(gòu)建失敗的主要原因之一。為了獲得更有效、更可靠的打印，這是必須解決的主要問(wèn)題之一。

克服更常用的金屬3D打印遇到的問(wèn)題，此案例中使用了Velo3D Sapphire?系統(tǒng)，憑借Velo3D固有的 SupportFree? AM 工藝，克服了與常用金屬AM增材制造技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)和制造妥協(xié)。

在取得積極成果后，零件經(jīng)過(guò)了磨料流加工工藝，使流體流動(dòng)順暢，還通過(guò)CNC數(shù)控進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)最終精度的精加工。該組件還經(jīng)過(guò)熒光處理、滲透檢查和涂層以驗(yàn)證達(dá)到項(xiàng)目規(guī)范。

像 Launcher 這樣的項(xiàng)目所面臨的部分挑戰(zhàn)是經(jīng)歷了如此多的建模、改進(jìn)和迭代的設(shè)計(jì)。借助 Velo3D 及其 Flow? 軟件和Sapphire?3D打印機(jī)之間的協(xié)同作用，Stratasys Direct 能夠通過(guò)真正的端到端增材解決方案交付這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

葉輪的成功打印主要由于VELO 3D的“無(wú)支撐”3D打印技術(shù)，其受到航空航天領(lǐng)域采用的原因還在于VELO 3D的Assure?質(zhì)量保證和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有直觀的圖表，使用戶能夠查看和解釋在構(gòu)建過(guò)程中收集的大量數(shù)據(jù)。根據(jù)VELO 3D，這些信息可幫助工程師驗(yàn)證構(gòu)建過(guò)程中每個(gè)步驟的質(zhì)量，并使其在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠快速做出決策。確?？梢詭椭鷾p少生產(chǎn)差異，提高產(chǎn)量并規(guī)避異常情況，以確保一致的增材制造結(jié)果。

由于在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方面必須同時(shí)滿足卓越的耐用性和高溫工作的挑戰(zhàn)性要求，飛機(jī)硬件尤其難以通過(guò)3D金屬打印的方式來(lái)制造。VELO3D的技術(shù)能夠生產(chǎn)輕薄、復(fù)雜的設(shè)計(jì)部件，滿足最苛刻工作條件下的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用要求。

在國(guó)內(nèi)，所有的國(guó)際和國(guó)內(nèi)品牌都面臨著同樣殘酷的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，用戶在決策采購(gòu)3D打印設(shè)備的時(shí)候，往往忽略了功能實(shí)現(xiàn)才是自己最終所關(guān)注的用戶價(jià)值所在，而是將設(shè)備商的硬件參數(shù)放在一起做比較，在看似“同樣”的設(shè)備配置基礎(chǔ)上，往往單純的去壓低設(shè)備商的價(jià)格。這是3D打印應(yīng)用端需要警醒的一個(gè)誤區(qū)，更穩(wěn)定更智能的設(shè)備是創(chuàng)造產(chǎn)品的基礎(chǔ)，忽略設(shè)備的軟性條件，這未免也將用戶自身的制造需求引入了另外一種誤區(qū)，對(duì)產(chǎn)業(yè)的自身發(fā)展也是極為不利的。

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