早在2014年，當(dāng)NASA首次嘗試用銅制造火箭發(fā)動機(jī)部件時(shí)，工程師們也擔(dān)心他們可能會浪費(fèi)時(shí)間。然而，最新的結(jié)果證明，銅金屬的3D打印打開了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的火箭發(fā)動機(jī)制造的又一扇大門。

視頻：NASA的LCUSP項(xiàng)目。來源：NASA

 復(fù)雜的冷卻通道成就下一代發(fā)動機(jī)

銅似乎不適合用于3D打印來加工，因?yàn)檫@種金屬容易直接反射3D打印機(jī)的激光束。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。

繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對3D打印的GRCop-84組件進(jìn)行熱火試驗(yàn)后，該團(tuán)隊(duì)開始開發(fā)GRCop-42。NASA 希望通過該材料具有與GRCop-84相似強(qiáng)度，但具有更高導(dǎo)熱率。NASA 研究人員表示，通過該材料制造的增材制造發(fā)動機(jī)燃燒室組件將“超過傳統(tǒng)方式制造的上一代產(chǎn)品”。

根據(jù)NASA的LCUSP計(jì)劃，NASA的銅基和鎳基合金3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到這些技術(shù)所制造的零件通過熱火試驗(yàn)。

不過3D打印銅合金所制造的燃燒室所面臨的一大挑戰(zhàn)是如何經(jīng)受住6,000華氏度的火箭燃料燃燒。為了防止銅過熱，火箭工程師設(shè)計(jì)了具有復(fù)雜微小通道的燃燒室，通過泵送冷卻劑來實(shí)現(xiàn)散熱，從而保持溫度平衡，保證發(fā)動機(jī)不受損壞。

銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個復(fù)雜的通道，制造這些微小的、具有復(fù)雜幾何形狀的內(nèi)部通道，即使對增材制造技術(shù)來說也是一大挑戰(zhàn)。部件打印完成后，NASA的研究人員使用電子束設(shè)備為其涂覆一層含鎳的超合金。

這些復(fù)雜的通道通過傳統(tǒng)制造工藝來實(shí)現(xiàn)則相對較慢且成本較高，3D打印將永遠(yuǎn)改變這一點(diǎn)。NASA通過GE旗下的Concept Laser的選區(qū)激光熔化設(shè)備實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的內(nèi)部通道，并使得火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)更加緊湊和輕量化。

挑戰(zhàn)仍然存在，3D打印的腔室壁和內(nèi)部冷卻劑通道仍然不像NASA研究人員所希望的那樣光滑，目前NASA正在進(jìn)行若干實(shí)驗(yàn)以平滑這些通道，或者通過改進(jìn)打印過程找到更好的方法來平滑表面。

NASA的成就來自于其在材料和火箭科學(xué)領(lǐng)域的跨界結(jié)合，NASA位于俄亥俄州的格倫研究中心中，材料科學(xué)家在銅中添加一點(diǎn)鉻和鈮可增加金屬強(qiáng)度和抗疲勞性。

NASA的最終目標(biāo)是要是要使火箭發(fā)動機(jī)零部件的制造速度大幅提升，同時(shí)至少降低50%的制造成本。

 Review

多家制造企業(yè)在開發(fā)銅合金3D打印工藝。國內(nèi)金屬3D打印企業(yè)鉑力特已在銅金屬激光成形領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研制出針對難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。國際上，Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領(lǐng)域取得的突破，為制造新一代RL10發(fā)動機(jī)帶來了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統(tǒng)工藝制造的，由多個不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個銅合金零件構(gòu)成。

視頻：3D打印銅合金火箭部件的全過程。來源：Launcher

初創(chuàng)的航天企業(yè)Launcher 與合作伙伴3T、EOS 也開發(fā)了3D打印銅合金火箭發(fā)動機(jī)部件，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以減少發(fā)動機(jī)零件數(shù)量，縮短開發(fā)時(shí)間，并且更加易于制造復(fù)雜功能集成的部件，Launcher 開發(fā)的3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動機(jī)部件就集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動機(jī)冷卻效率得到提升。

關(guān)于銅的3D打印用激光器，根據(jù)IDTechEx Research 的《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術(shù)、市場與預(yù)測》報(bào)告，過去 30 年來，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價(jià)格卻呈指數(shù)級下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術(shù)，同時(shí)也使全新的光學(xué)技術(shù)成為可能。

2018 年，島津公司擬（日本）實(shí)現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍(lán)光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，。島津 450 納米藍(lán)色二極管激光器的一個關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的 3D 打印。銅對藍(lán)色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統(tǒng)的紅外激光器是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機(jī)可以用純銅粉高效打印物體。現(xiàn)有的 3D 打印機(jī)技術(shù)一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來代替純銅。

IDTechEx Research 預(yù)計(jì)，隨著更多產(chǎn)品的商業(yè)化，從 2019 年起，藍(lán)光 DDL 將會很快應(yīng)用于銅加工領(lǐng)域。

(責(zé)任編輯：admin)

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