3D打印孔隙缺陷再變利器，開發(fā)先進火箭發(fā)動機！

孔隙通常被認為是LPBF金屬3D打印的缺陷，但在透氣鋼、過濾、催化等領(lǐng)域卻是一種有益結(jié)構(gòu)。

3D打印技術(shù)參考于近日注意到，這一所謂的缺陷，竟然在旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機上也實現(xiàn)了功能性應(yīng)用！要知道，此類發(fā)動機在火箭領(lǐng)域可是屬于?前沿顛覆性的技術(shù)?。

航空航天企業(yè)Astrobotic與金屬3D打印材料開發(fā)商Elementum 3D合作，開發(fā)出一種名為PermiAM的新型金屬3D打印工藝，所使用的材料為鋁合金和銅合金。

它基于傳統(tǒng)的LPBF工藝，能夠在一個制造過程中，既能保持材料整體致密度，又能在指定位置原位獲得開孔孔隙結(jié)構(gòu)，而且這些孔隙的大小、形狀、連通性均能按照工程需求進行精細調(diào)節(jié)。

雙方表示，這項技術(shù)對于超音速應(yīng)用和火箭發(fā)動機噴注器制造尤為關(guān)鍵。他們指出，在生產(chǎn)過程中控制部件的孔隙率，使工程師能夠構(gòu)建針對極端應(yīng)用優(yōu)化性能的定制化流體控制系統(tǒng)，同時簡化設(shè)計步驟并降低成本。

日前，基于PermiAM技術(shù)的3D打印燃料噴注器已成功通過熱火測試，充分驗證了該技術(shù)的可行性。

開發(fā)團隊的目標是制造具有“面冷卻”能力的復(fù)雜結(jié)構(gòu)火箭發(fā)動機噴注器。他們測試了三種材料（兩種鋁合金和純銅），進行了多種樣品驗證和22次發(fā)動機測試。

樣品測試包含不同參數(shù)打印的立方體和30個測試圓片。其中，立方體由A1000-RAM10鋁合金3D打印，用于測試孔隙生成情況；30個測試圓盤用于評估氣流。

研究人員使用三種不同掃描參數(shù)制造了三種具有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立方體樣品，分別為：相對密度為74.7%，開孔率為13.2%；相對密度為88.3%，開孔率為5.4%，零件內(nèi)部含狹窄的通道；相對密度為76.5%，開孔率為17.2%，零件內(nèi)部包含更為曲折的通道。

這意味著研究人員成功實現(xiàn)了對內(nèi)部孔隙的精準調(diào)控，既能夠打印出高強度、小流量、筆直通道的結(jié)構(gòu)（中），也能打印出高孔隙率、大流量、迷宮式曲折通道的結(jié)構(gòu)（右）。

工程師因此能夠根據(jù)火箭發(fā)動機不同部位的需求，設(shè)計和制造出具有不同功能需求的結(jié)構(gòu)，。

此外，研究人員還特別指出，在高孔隙率結(jié)構(gòu)樣品外圍的支撐環(huán)能夠可靠穩(wěn)定的實現(xiàn)高致密度成型，這對于噴注器面板至關(guān)重要，它除了能用于制造火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)，還能為噴氣發(fā)動機渦輪葉片和流體過濾組件等部件帶來益處。

熱試車實驗表明，噴注器正常工作時端面的溫度不超過50℃，而且經(jīng)常低于10℃，這驗證了“面冷卻”的效果非常有效；此外，噴注器能承受超過5.52MPa的腔室壓力，表明其即便存在大量孔隙，仍能保持整體強度。

基于以上兩點表現(xiàn)，開發(fā)人員認為PermiAM技術(shù)完全能夠滿足NASA或其他商業(yè)航天項目的要求。

而最新的測試是，Astrobotic于近日對兩臺旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機原型機進行了八次測試，總時長470秒，其中包括一次長達300秒的連續(xù)燃燒。發(fā)動機的關(guān)鍵部件就使用了PermiAM技術(shù)。

報道指出，工程師在單個組件中結(jié)合了高密度區(qū)域來增強強度，在需要冷卻和流體流動的區(qū)域設(shè)計了高孔隙率。

對火箭發(fā)動機而言，熱量和流體流動難以控制，傳統(tǒng)制造工藝通常需要多個零件、復(fù)雜的內(nèi)部通道和組裝步驟。而3D打印技術(shù)可以將這些特性直接集成到單個部件中。在此，控制金屬內(nèi)部的孔隙率有助于散熱、提高穩(wěn)定性并提升效率，這三點正是先進火箭發(fā)動機面臨的最大挑戰(zhàn)。

測試發(fā)現(xiàn)，每臺發(fā)動機均產(chǎn)生了超過1.8噸的推力，且運行穩(wěn)定，試車結(jié)束后發(fā)動機無明顯損壞，后續(xù)將重點改進冷卻、節(jié)流能力并減輕重量。

3D打印技術(shù)參考查詢到， Elementum 3D開發(fā)了能夠用于發(fā)動機的鋁合金，并與Nasa在2023年就合作就開展了熱火測試。

在應(yīng)用方面， Astrobotic的 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機瞄準 月球著陸器、空間飛行器等太空運輸服務(wù)。

從毅速科技將3D打印孔隙在注塑領(lǐng)域發(fā)揮作用，再到 Astrobotic將3D打印孔隙用于航天發(fā)動機部件制造，就可以看出這一常規(guī)被認為是缺陷的特征只要用的好，就能化劣勢為優(yōu)勢！

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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