NASA借助3D打印技术实现经济实惠的火箭发动机制造
发布时间：
2023-01-11 12:45
早在2014年，当NASA首次尝试用铜制造火箭发动机部件时，工程师们也担心他们可能会浪费时间。然而，最新的结果证明，铜金属的3D打印打开了实现经济实惠的火箭发动机制造的又一扇大门。
视频：NASA的LCUSP项目。来源：NASA
复杂的冷却通道成就下一代发动机
铜似乎不适合用于3D打印来加工，因为这种金属容易直接反射3D打印机的激光束。铜金属在激光熔化的过程吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制。
继2016年和2017年，NASA 在马歇尔太空飞行中心对3D打印的GRCop-84组件进行热火试验后，该团队开始开发GRCop-42。NASA 希望通过该材料具有与GRCop-84相似强度，但具有更高导热率。NASA 研究人员表示，通过该材料制造的增材制造发动机燃烧室组件将“超过传统方式制造的上一代产品”。
根据NASA的LCUSP计划，NASA的铜基和镍基合金3D打印技术已经发展到这些技术所制造的零件通过热火试验。
不过3D打印铜合金所制造的燃烧室所面临的一大挑战是如何经受住6,000华氏度的火箭燃料燃烧。为了防止铜过热，火箭工程师设计了具有复杂微小通道的燃烧室，通过泵送冷却剂来实现散热，从而保持温度平衡，保证发动机不受损坏。
铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。部件打印完成后，NASA的研究人员使用电子束设备为其涂覆一层含镍的超合金。
这些复杂的通道通过传统制造工艺来实现则相对较慢且成本较高，3D打印将永远改变这一点。NASA通过GE旗下的Concept Laser的选区激光熔化设备实现这些复杂的内部通道，并使得火箭发动机的设计更加紧凑和轻量化。
挑战仍然存在，3D打印的腔室壁和内部冷却剂通道仍然不像NASA研究人员所希望的那样光滑，目前NASA正在进行若干实验以平滑这些通道，或者通过改进打印过程找到更好的方法来平滑表面。
NASA的成就来自于其在材料和火箭科学领域的跨界结合，NASA位于俄亥俄州的格伦研究中心中，材料科学家在铜中添加一点铬和铌可增加金属强度和抗疲劳性。
NASA的最终目标是要是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升，同时至少降低50%的制造成本。
3D科学谷Review
根据3D科学谷的市场观察，多家制造企业在开发铜合金3D打印工艺。国内金属3D打印企业铂力特已在铜金属激光成形领域取得了进展，研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺，实现了复杂流道的铜材料制造工艺，成功制备出3D打印铜合金尾喷管。
国际上，Aerojet Rocketdyne在火箭铜合金推力室3D打印领域取得的突破，为制造新一代RL10发动机带来了可能性。3D打印铜合金推力室部件将替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由传统工艺制造的，由多个不锈钢零件焊接而成，而3D打印的铜合金推力室部件则由两个铜合金零件构成。
视频：3D打印铜合金火箭部件的全过程。来源：Launcher
初创的航天企业Launcher 与合作伙伴3T、EOS 也开发了3D打印铜合金火箭发动机部件，3D打印技术的应用可以减少发动机零件数量，缩短开发时间，并且更加易于制造复杂功能集成的部件，Launcher 开发的3D打印铜合金(Cucrzr)发动机部件就集成了复杂冷却通道，这一设计将使发动机冷却效率得到提升。
关于铜的3D打印用激光器，根据IDTechEx Research 的《激光二极管与直接二极管激光器，2019-2029 年：技术、市场与预测》报告，过去 30 年来，激光二极管的平均功率显著提升，而每瓦平均价格却呈指数级下降。因此，激光二极管正在取代一些已有的激光和非激光技术，同时也使全新的光学技术成为可能。
2018 年，岛津公司拟(日本)实现了其 BLUE IMPACT 蓝光冲击二极管激光器的商业化，。岛津 450 纳米蓝色二极管激光器的一个关键应用是铜材料的 3D 打印。铜对蓝色激光的吸收率很高，背反射的减少可以使加工过程变快，这对传统的红外激光器是一个严峻的挑战。新研发的 3D 打印机可以用纯铜粉高效打印物体。现有的3D打印机技术一般采用 CuCr1Zr 等铜合金来代替纯铜。
IDTechEx Research 预计，随着更多产品的商业化，从 2019 年起，蓝光 DDL 将会很快应用于铜加工领域。(来源：3D科学谷)
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