液体火箭发动机是一套复杂的系统，具有复杂的结构设计、先进材料才能满足其在恶劣环境下的使用。将组件制造并组装成这套复杂的系统需要大量的时间、成本和技能，才能满足集成和性能要求。增材制造在推进应用方面的前景正在整个航空航天工业中得到证明，它可用于关键部件制造并并使火箭设计成为可能。与之相关的尖端技术被用于减少零件数量、优化重量并允许制造更复杂的零件结构。3D打印显著降低了制造组件的成本和交货时间。它还允许更快的设计-失败-修复周期，以便在投入生产之前开发和测试早期原型。 NASA在帮助解决一些制造挑战并提高火箭发动机性能方面发挥着至关重要的作用。高风险和高回报开发的一个例子是NASA的改变游戏规则的开发快速分析和制造推进技术 (RAMPT) 项目。 RAMPT与工业界、商业空间和学术界合作，推进和整合多种3D打印及其他先进制造工艺，并通过热火测试证明这些工艺的可靠性。液体火箭发动机的燃烧室和喷嘴通常采用一种单一的金属增材制造工艺来打印单一合金制造而成。RAMPT探索了新的研究，以创造新合金、多合金3D打印组件，并结合多种金属3D打印工艺以进一步优化3D打印设计。这一理念促使团队将新颖的3D打印设计与其他先进的制造技术相结合，以进一步减轻重量（图 1）。 图1. RAMPT概念使用多合金增材制造、大规模LP-DED和集成到火箭发动机推力室组件 (NASA) 中的复合结构 制造规模是RAMPT团队走向成熟的挑战之一。NASA与行业合作伙伴共同推进了激光粉末定向能量沉积 (LP-DED) 工艺，展示了直径大于1米的复杂薄壁内部通道结构，它是一款具有冷却通道的大型喷嘴。自由形式的LP-DED工艺允许大规模增材制造——不受构建箱的限制。在短短90天内，RAMPT项目打印出了NASA利用 LP-DED生产的最大增材制造喷嘴之一，它包含1000多条内部通道，直径1.5 m，高度1.8m（图 2）。全尺寸的RS-25火箭发动机喷嘴衬套也是在RAMPT项目下开发的，直径为2.4m，高度为2.8m，但不包含内部通道（图 2）。 图2. 大型定向能量沉积喷嘴。（左）使用NASA HR-1合金打印的1.5m直径和1.8m高度整体通道喷嘴；（右）使用双头LP-DED和JBK-75合金打印的2.4m直径和2.8m高衬里 NASA团队探索了各种金属增材制造工艺，以制造多合金部件，包括粉末床熔融、定向能量沉积和冷喷涂。使用GRCop-42 (Cu-Cr-Nb) 合金，通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 工艺制造带有整体冷却通道的燃烧室衬里。为了正确集成用于流体分配的高强度歧管，成熟的LP-DED和冷喷涂工艺可以沉积HR-1高强度、耐氢超级合金。过渡层使用3D打印的镍或铜镍合金构建，为复杂的环境负载和材料兼容性提供坚固的双金属接头。为了进一步推进多合金3D打印工艺，RAMPT项目使用 NASA HR-1合金将整体内部通道LP-DED喷嘴直接沉积到GRCop-42 L-PBF腔室上，无需螺栓连接。NASA已经制造了各种尺寸的火箭发动机推力室组件（图 3），证明了使用多合金组合3D打印工艺的制造潜力。 图3. 在RAMPT项目下开发的各种规模的复合外包裹多合金和多工艺增材制造推力室 NASA已经对各种3D打印部件和系统进行了超过100000秒的热火测试。这些测试帮助NASA了解增材制造的许多挑战和局限性，并帮助建立增材制造组件的认证标准。为了进一步推进RAMPT项目下的技术，8.9 kN和31kN集成推力室在NASA 马歇尔太空飞行中心进行了热火测试（图 4）。螺栓推力室测试也在156 kN下进行了测试，以获得有关L-PBF GRCop-42推力室和HR-1 LP-DED通道喷嘴的数据（图 5）。该测试证明了3D打印多合金、组合3D打印工艺和复合结构制造的挑战，并为工业应用提供各种经验教训。 图4. 具有GRCop-42 L-PBF推力室和LP-DED HR-1喷嘴复合结构热火测试 图5. 3D打印双金属 GRCop-42 L-PBF/Inconel 625 LP-DED燃烧室和带整体通道的LP-DED喷嘴的热火测试 (NASA) RAMPT利用多合金、组合增材制造工艺方法以及复杂的复合材料应用和先进的增材制造模拟能力来开发大型再生冷却液体火箭发动机技术。RAMPT项目将设计、分析、制造和装配生命周期提前期缩短了50%以上。它还将零件数量减少了10倍以上，重量减轻了30%以上，并提高了可靠性。RAMPT的其他成就包括让制造业供应链参与进来，并通过公私合作伙伴关系促进技术向商业行业注入，以创建健康的供应链。RAMPT项目下生成的所有数据都可供行业合作伙伴使用。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.多材料金属结构一体成型：NASA正在测试不使用热源的新3D打印工艺 2.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 3.F357、TC4、IN718，众多先进材料3D打印组件集中布置到太空运输工具 4.迈向国际，中国工业级3D打印品牌深入欧美增材强国腹地

3D打印技术参考注意到，铂力特于4月28日披露了2023年第一季度报告。报告期内公司实现营业总收入1.33亿元，同比增长48.12%；归母净利润亏损2849.47万元，上年同期亏损3240.71万元。截至2023年一季度末，公司经营活动现金流净额为-2.17亿元，同比减少1.40亿元，环比下降2.44亿元，主要系随着公司经营规模扩大，购买设备配件、生产材料及支付职工薪酬、支付各项税费增加较多以及代缴股权激励个税款所致。 根据铂力特4月初消息，四期项目（金属增材制造大规模智能生产基地项目）E地块的设计规划图顺利完成报建审批，工程即将开建。 图为铂力特四期E地块设计规划图（来自铂力特） 根据2022年8月29日铂力特发布的定增预案，拟募资总额不超过31.09亿元，投向金属增材制造大规模智能生产基地项目及补充流动资金。定增公告显示，铂力特本次募投项目中，金属增材制造大规模智能生产基地拟投入25.09亿元，余下6亿元拟用于补流。 铂力特四期项目位于西安市高新区，拟建设高品质金属3D打印原材料粉末生产线、高效和高精度金属3D打印定制化产品生产线。根据定增预案，包括产品检验检测设备、大尺寸/超大尺寸3D打印设备和后处理设备等合计505台/套，建造生产车间、厂房总建筑面积约16.32万平方米。此次完成报建的E地块是项目的其中一个地块。 关于进一步扩产的原因，铂力特在定增预案中表示，此举将大幅提升公司金属增材定制化产品和原材料粉末的产能，满足航空航天应用领域对增材制造快速增长的需求，同时满足公司和行业对金属增材制造粉末的需求。 资金方面，铂力特坦言，增材制造行业属于技术及资金密集型行业，公司经营过程中对营运资金的需求较为明显。实施定增有助于为公司发展提供资金支持，扩大客户群体和业务规模，推动公司持续稳定发展。 根据铂力特官网信息，该公司二期项目总占地78亩，由一个研发中心、三个金属增材制造厂房组成，已全部于2021年投入使用；三期项目（金属增材制造产业创新能力建设项目）于2022年7月开工建设，针对全球增材制造行业发展趋势和市场需求以及公司战略发展规划，在创新能力、工业大数据、智能工厂、创成式设计产品、智能装备等方面持续发力，加大企业领先优势，打造全球一流的金属3D打印全产业链创新企业。 四期项目的建设，将大幅提升公司金属增材定制化产品和原材料粉末的产能，满足航空航天等应用领域对定制化产品打印服务的需求，并同时满足公司和行业对金属增材制造粉末的需求，实现公司业绩快速增长。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.铂力特财报分析：2022年营收9.18亿元，加工服务占比超50% 2.250页成果下载 | 由增材过渡到减材，完成零件复合加工 3.稳定可靠 | 易加三维发布EP-M400四激光增材制造系统 4.会议邀请丨“聚力向新，智造加速度”金属增材技术研讨会将在沪召开

3D打印技术参考注意到，美国能源部 (DOE) 能源效率和可再生能源办公室 (EERE) 于4月12日宣布有意发布融资机会公告 (FOA，即美国联邦拨款资助机会的通知)，以促进大型金属近净形状部件的国内生产，这是美国部署清洁发电技术的关键一步。由该办公室领导的拨款计划将影响美国制造业的广泛领域，包括清洁能源发电、运输、工业机械、重型设备和国内基础设施。 目前，美国约95%的无碳发电依赖于由大型（10多吨）近净形状金属部件组成的复杂系统。通过制造接近其最终或“净”形状的部件，减少了用于制造这些部件的原材料和能量，并减少了制造过程中的后处理操作量。然而，美国国内制造基地目前缺乏有竞争力的生产这些大型零部件的能力和技术，这直接导致了对国外供应链的持续依赖，从而进一步影响到拜登政府到2035年获得100%清洁电力和到2050年实现净零排放的目标。该拨款计划将解决2022年“国家先进制造业战略”中确定的先进制造业技术挑战。鉴于开发和部署这些技术的紧迫性，确定加快技术开发到商业化的途径将是这些项目的核心。 基于3D打印的近净成形技术包括激光能量沉积、冷喷涂、电弧增材制造、快速等离子体沉积、搅拌摩擦焊等等。 这次拨款预计将提供约3000万美元的资金，领导办公室计划以合作协议的形式授予多项财政援助奖励，每项奖励从500万美元到1500万美元不等，每个奖项的预计执行期约为两至三年。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.NASA喷气推进实验室公布2022年三项3D打印应用成果 2.工艺综述：金属增材制造技术的重要创新发展及代表性企业 3.2023最新金属与非金属增材制造技术全景图（中文版） 4.SLM-3D打印一体化多金属材料散热器，揭示未来应用潜力

4月19日，NASA技术团队在Nature发表了关于最新开发的GRX-810超级合金的相关研究，涉及其微观结构、机械性能以及与当前同类型增材制造合金的比较。3D打印技术参考于去年4月首发了对该材料的解析，这是一种采用热力学计算和3D打印协同开发的具有突破性性能的新型高温合金，NASA团队目前已经成功采用粉末床熔融工艺实现了其制造，而与新材料开发相关的3D打印工艺则多是采用激光能量沉积。 多主元素合金具有强大的机械和抗氧化性能，尤其适合于极端环境使用。NASA团队使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造开发出了这种新材料——氧化物弥散强化型NiCoCr合金。无需机械或原位合金化，借助粉末床激光熔融工艺就可以将纳米级的Y 2 O 3颗粒分散到整个微观结构中，该材料展示了在1093°C下与广泛使用的增材制造传统多晶变形镍基合金增强两倍的强度和抗氧化性，以及提高了1000 多倍的蠕变性能。这种合金的成功开发显示出与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计能够使用更少的资源实现更佳的材料组分组成，展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将加速革命性材料的出现。 https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0 将重量百分比为1%的Y2O3包覆在NiCoCr粉末颗粒上 多主元素合金又被成为高熵合金，具有高抗拉强度和延展性，在航空航天和能源等需要在高温和腐蚀性环境中使用的组件制造显示出巨大潜力。而氧化物弥散强化高熵合金则可以对后者的高温强度和蠕变性能等带来改善，以往在3D打印过程中引入弥散强化的手段通常是借助机械合金化、原位合金化或化学反应，但这些方法通常使过程变得复杂且可重复性存在不足。NASA团队使用了一种不需要任何粘结剂、流体或化学反应的高能混合过程，成功将纳米级的Y2O3涂覆到NiCoCr金属粉末上。此过程不会影响粉末球形形态，对于高质量粉末床3D打印制造至关重要。使用这种方法，研究人员3D打印出的新合金与之前相比，1093°C时的抗拉强度提高了35%，延展性提高了三倍。 在该研究的基础上，NASA团队采用相同的方法进一步优化了NiCoCr合金系统，研究证实了模型驱动的合金设计和3D打印工艺的成熟，可以生产具有以前传统制造技术无法实现特性的下一代材料。 研究使用的粉末原材料（粒径为10-53μm）与纳米级Y2O3（直径为100–200 nm，纯度为99.999%）使用高能声学混合器混合，然后使用筛网去除大的氧化物或金属粉末颗粒。研究探索了NiCoCr、NiCoCr-ODS、NiCoCr-ODS，添加少量Re (1.5 wt%) 和B (0.03wt%) (ODS-ReB)的合金。 1093°C高温拉伸试验显示了五种合金的强度和伸长率差异，发现非ODS NiCoCr样品的强度和延展性低于NiCoCr-ODS样品。事实上，通过简单地掺入Y2O3颗粒，NiCoCr的强度增加了，延展性提高了两倍。这突出了这些氧化物在高温下提供的强化效果。向NiCoCr-ODS中少量添加Re和B似乎略微提高了合金的强度。值得注意的是，与其他ODS合金相比，GRX-810显示出更高的强度和延展性；事实上，GRX-810提供了两倍的强度和三倍以上的延展性，使其成为一种性能更高的高温合金。一个令人惊讶的结果是，非ODS GRX-810的强度，尽管延展性有限（与非ODS NiCoCr合金相比），但其似乎与成品GRX-810的强度相当。这一发现表明强度的提高是由于基础成分，而氧化物是延展性提高的来源。 GRX-810、非ODS GRX-810、锻造Haynes 230、锻造625和718相比，不同合金之间的强度和伸长率方面几乎没有差异，尽管与其他三种合金相比，GRX-810确实提供了略高的抗拉强度。HIP室温测试提供了一些强度变化，因为ODS合金能够在该处理步骤后保持更高的强度。打印态和HIP GRX-810在不同温度下的拉伸性能显示了两个值得注意的观察结果：首先，与 HIP GRX-810 相比，打印态的GRX-810始终提供更高的强度；其次，GRX-810提供了意想不到的低温拉伸性能，表明纳米级氧化物在这些低温下不会对合金强度产生不利影响。 GRX-810和NiCoCr成分空间的建模   a.测试材料在1093°C 下的工程应力-应变曲线；b.不同合金之间的极限抗拉强度比较；c. 1093°C下的蠕变曲线；d .包括与GRX-810 曲线的相同测试   1093°C和1200°C下的循环氧化结果   GRX-810的蠕变断裂寿命与当前的增材制造高温合金对比 蠕变试验也在1093°C下进行以比较这些合金的性能。数据显示，在1093 °C和20MPa下，HIP GRX-810在蠕变6500小时后破裂，而打印态样品在1%应变（超过2800 小时）时终止，其他非ODS合金在40小时内破裂。 与NiCoCr基体和NiCoCr-ODS合金相比，GRX-810表现出显著改善的蠕变断裂性能。此外，与目前最先进的增材制造高温合金（超级合金718、625和Haynes 230）相比，GRX-810在1093°C下的蠕变寿命提高了几个数量级。 总之，NASA研究团队介绍了一种新型NiCoCr基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与当前的合金相比，它在极端环境中具有卓越的性能。在合金设计中使用计算模型产生了一种平衡性能和可加工性的成分，先进的表征可以深入了解底层的微观结构和机制。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1093 °C 下的蠕变性能提高了几个数量级，从而能够3D打印制造在极端环境中使用的复杂部件。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.突破：NASA开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃ 2.西工大黄卫东、林鑫教授团队：3D打印Al-Si合金工艺–组织–性能量化关系研究 3.天津大学：抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的新合金设计方法 4.顾冬冬教授总结回顾-金属激光增材制造技术在高端领域的应用与研究!

2022年度，金属3D打印上市企业铂力特获得9.18亿元营收，同比增长66.32%，公司财报显示这是因为公司继续深耕航空航天领域，持续开发新的设备型号，且不断开拓新的市场和应用领域所致。财报同时显示，航空航天领域贡献了6.37亿元，占总营收的69.46%。这一收入也使其成为当前国内航空航天增材制造金属零部件产品市场的龙头。 航空航天零部件的生产周期长、成本高，制造难度大，而铂力特为我国航天领域的用户提供了高质量的制造服务，使金属3D打印技术在航空航天领域获得了高附加值应用，从零件级、部件级到整机级逐步加深应用程度。在中国航天日，本期内容，3D打印技术参考主要介绍其在过去一年实现的重要应用案例，用户单位涉及航天科技、航天科工、商业航天以及高校。01助力凌空天行“TXI”系列火箭发射 2022年5月，凌空天行“TXI”系列火箭完成了第9次发射，火箭将某载荷精准投送到了任务窗口，任务获得圆满成功。 铂力特为此次任务打印了火箭电控舱圆柱段壳体、电气舱锥段壳体、尾段壳体三个零件。零件均为回转体，分布较多凸台、筋条、窗口，且零件成形尺寸大，质量要求高。由于航天零件服役要求严苛，结构复杂，客户要求零件一体打印，除装配位置外不进行机加加工。综合考虑后，铂力特选用BLT-S800对零件进行制作。 凌空天行“TXI”系列火箭 BLT-S800是铂力特在2021年发布的明星设备，针对航空航天领域零件大尺寸特点，打印尺寸为800mm×800mm×600mm（W×D×H），可使复杂特征零部件一体成形。该设备拥有十激光选配方案，成形速度可达250cm³/h，零件更快成形。经验收，零件整体变形控制较好，尺寸及力学性能稳定且符合客户要求。BLT-S800大尺寸成形设备生产的零件的精度、质量能达到工程应用的标准。  02助力西工大“飞天一号”火箭成功发射 2022年7月，由西工大航天学院空天组合动力创新团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力在某基地成功发射，在国际范围内首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力。 铂力特参与制造了该组合发动机某些关键零件。这些零件结构复杂，成形尺寸大，铂力特使用BLT-S515和BLT-S600进行打印，在保证零件质量的同时实现了零件快速制造并缩短了交付周期。 西工大“飞天一号”火箭 BLT-S515经多批次迭代和大批量应用验证，运行成熟稳定，出品零件经得起国际标准的考验。该设备成形尺寸为500mm×500mm×1500mm，可满足大尺寸长轴形零件的制造需求，让3D打印技术突破零件高度限制。BLT-S600最大成形尺寸达600mm×600mm×600mm，满足多种应用场景零件尺寸需求，可解决高端应用领域中大尺度异形空间曲面特征、多特征跨尺度结构、镂空网状及空间连续拓扑包络等复杂结构的一体化成形难题。03助力蓝箭航天发动机制造 蓝箭航天致力于研制以液氧甲烷作为推进剂的中大型运载火箭系列产品，为全球市场提供高性价比、高可靠性的发射服务。3D打印一直是其在产品研制过程中使用的重要技术。 在市场调研阶段，蓝箭航天了解到铂力特在金属3D打印航空航天零件研制和生产方面技术成熟、经验丰富，多型号的设备可满足各类大尺寸零件生产需求，且设备经过大规模应用考验，出品零件的质量和可靠性受到客户认可。  蓝箭航天研制的液氧甲烷发动机  在合作中，蓝箭航天感受到铂力特在产品交付质量、交付周期和最终整体价格方面均有竞争力，这促使了蓝箭航天不断增加跟铂力特之间合作的深度和广度。在零件制造方面，铂力特帮助蓝箭航天打印了发动机接头类零件、点火器支座和游机身部等。这些零件具有异形结构，采用传统方法制造周期长、模具制造困难、成本高，且生产难度大、难以保证质量。铂力特利用金属3D打印技术为用户节约了研发成本、减少了生产周期，制造出了高质量的零部件。 04助力九州云箭可回收发动机制造 2022年7月， 由九州云箭出品的龙云液氧甲烷发动机完成了系列可靠性热试车考核。在该项目中，铂力特为九州云箭打印了旋转机械、燃烧装置以及发动机管路等零部件。 旋转机械、燃烧装置是液氧甲烷发动机的核心部件，其品质好坏对发动机整机性能和可靠性至关重要。其中旋转机械零件在制造过程中控形难度高、零件局部结构后处理工艺难度较大；燃烧装置结构则较为复杂，强度要求高，且零件需要在高温或低温条件下工作；发动机管路突破了原有的设计边界，更加轻量化，旨在提高整机工作可靠性。  龙云液氧甲烷发动机可靠性热试车 △左右滑动查看更多 在打印前期，铂力特产品团队对所需零件的服役条件进行了充分分析，选用了抗疲劳、耐腐蚀性良好的高温合金作为零件的材料，并根据零件的工艺特征确定了零件的尺寸、力学性能等关键数据，确保成形零件满足技术要求。基于对上述零件打印指标要求的分析，最终确定使用BLT-S400、BLT-S515、BLT-S600进行生产。 05助力快舟十一号运载火箭成功发射 2022年12月，快舟十一号固体运载火箭在酒泉卫星发射中心点火升空，成功将行云交通VDES试验卫星送入预定轨道。 快舟十一号的研制过程中，研制周期、经济成本是项目的重要考量因素。同时，火箭本身需要具备很强的运载能力，需要对全箭进行轻量化设计。 快舟十一号固体运载火箭 在参与项目之初，铂力特就聚焦以增材制造思维协助研制团队进行轻量化、尽己所能提升研制速度和降低成本，并参与研制了快舟十一号的多个发动机组件产品，涉及需要在高温条件下服役的多流道结构或异形管路的壳体结构。 铂力特产品团队利用BLT-S310打印了相关的钛合金和高温合金零部件，在保证零件强度的同时实现了零件的轻量化，而且零件性能指标更优。经检验，成形零件满足发动机的使用要求，而且铂力特的一体化成形策略缩短了零件的设计改型测试时间和制造时间，提高了制造效率，同时避免了零件在服役过程中出现焊接处开裂等问题，有效提高了零件的质量和使用寿命。06助力星际荣耀发动机半系统联合试验 2023年3月，星际荣耀百吨级液氧甲烷火箭发动机“JD-2”顺利完成两次真实介质下的半系统联合试验。铂力特利用多年的金属3D打印经验，协助研制团队为“JD-2”液体发动机打印了多个管路类和涡轮泵类零件，帮助客户实现了降本增效。 星际荣耀“JD-2”半系统联合试验   △左右滑动查看更多 发动机管路类零件多为异形薄壁结构，成形过程易变形；涡轮泵类零件尺寸较大，控形难度大，且对流道表面粗糙度要求高。这两类零件采用传统方法生产的难度均较大。 铂力特根据零件成形难点和服役条件，开发了定制化的工艺方案，选用BLT-S515、BLT-S600打印了相关的钛合金和高温合金零部件。经检验，成形零件的质量精度、强度、性能指标均满足“JD-2”液体发动机的使用需求，同时铂力特实现了零件的快速制造，帮助客户加快了技术迭代和方案验证，提高了研制效率。左右滑动查看 依次为BLT-S400、BLT-S515、BLT-S600、BLT-S800 END 铂力特自2011年成立以来，围绕金属增材制造装备国产化、粉末材料制备、工艺技术自主研发以及增材制造产品工程化应用推广进行了不懈努力。针对航空航天领域零部件的制造特点和客户需求，不断研发，满足产品品质与制造效率，在充分发挥自身技术优势与制造经验的基础上，不断探索改进，精益求进。 而在当前航天发射密集及国防应用需求增长的背景下，这些领域也表现出对金属3D打印技术更多的认可。铂力特2022年在航空航天领域的收入较上年增长了101.71%，这一数据足以证明这些领域对该技术需求的增长，以及对铂力特技术的认可。 铂力特表示，将始终坚持以高质量、高标准打造产品与服务，利用自身的研发能力与生产经验，不断探索改进，突破技术难题，提高技术水平。在未来，将持续聚焦空天领域工程化应用，以高质量、高标准打造产品与服务，用金属增材制造技术助力航空航天更深远的征程。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，已经过铂力特审核，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业洞察：高强铝3D打印材料体系、市场化历程及其应用现状 2.重磅分享（二）：航空航天增材制造产线建设面临的挑战与要求 3.五千字分享：NASA采用3D打印研制火箭发动机的失败教训与经验 4.期待更多3D打印行业专家分享独到观点

北京时间4月20日晚，SpaceX第一艘完全集成的Starship（又称星际飞船、星舰）首次发射，升空后一级就要多台发动机工作不正常，升空2分30秒后火箭姿态失稳并开始旋转，最终解体爆炸。 在通往成功的道路上总是要经历无数次失败，其可重复使用的猎鹰火箭就是最好的例子，而后者也是当前最成功的商业发射火箭。在升空前夕，马斯克便有降低预期的表示，“成功不是我们应该期待的”，在星舰后爆炸后其表示，“成功来自于我们学到的东西，今天的测试将帮助我们提高星际飞船的可靠性”。 Starship由第一级的超重型火箭助推器和第二级的航天器组成，两级火箭都设计为可重复使用，可在发射塔上进行受控着陆并在数小时内重新飞行。星舰全箭直径9米，高约120米，起飞总推力达到7590吨，是当前人类建造的最大规模的火箭，其旨在将宇航员和货物运送到地球轨道、月球、火星甚至更远的太空。Starship两级结构均由猛禽发动机提供动力，其中高达69米的巨大一级助推器装有33台，二级航天器部分装有6台。 当前人类建造的最大规模的火箭 与之前的许多其他运载火箭一样，Starship拥有大量3D打印部件。自从2018年底开始建造第一批原型以来，马斯克曾多次谈到SpaceX在星舰的设计和生产中使用3D打印技术。最早的例子之一是2017年9月在澳大利亚举行的国际宇航大会上的一次演讲中，当时他强调了使用3D打印制作星舰的重要性，并表示“我们确实在对大量投资3D打印，这可能会成为我们制造火箭结构的主要方式。” 马斯克表示，SpaceX的目标是将3D打印技术用于星舰尽可能多的部件，包括发动机和机身，并已经打印了广泛的部件，如燃烧室和喷嘴延伸件，以及整个航天器中的各种支架、配件和其他元件。该公司还投入巨资开发新的3D打印技术和材料，旨在进一步提高其制造过程的速度、质量和性能。 高达69米的巨大一级助推器装有33台猛禽发动机 为加快生产速度和提高设计灵活性，Starship上的3D打印部件使用了多种3D打印技术生产，包括粉末床激光熔融和和电子束熔融。总的来说，3D打印一直是SpaceX能够快速制作原型和迭代星舰设计以及生产高精度和高性能零件的关键因素。 作为在航空航天工业中使用增材制造技术的先驱，SpaceX一直在广泛利用该技术为其火箭和航天器制造零件，尤其是那些使用传统方法难以或不可能制造的零件。该公司3D打印应用相关的信息透露很少，据外媒介绍，SpaceX使用粉末床激光熔融工艺3D打印制造复杂的发动机部件，如为星际飞船和超重型助推器提供动力的猛禽发动机的喷油器板。此前，Merlin发动机（设计用于为猎鹰 1 号、猎鹰 9 号和猎鹰重型运载火箭提供动力）也需要3D打印部件，尤其是推力室、喷嘴和喷油器。  SpaceX 3D打印的部分组件如下： 发动机部件：龙飞船自燃推进剂发动机使用通过EBM工艺制造了钛合金发动机舱，使用SLM工艺制造了猛禽发动机的涡轮泵外壳。 燃料系统组件：3D 打印了为火箭发动机提供燃料的系统组件，如燃料歧管。 隔热罩：为将宇航员运送到国际空间站，SpaceX建造了带有3D打印隔热罩的Crew Dragon航天器，旨在重返地球大气层时保护太空舱及其乘员。 阀门和配件：用于火箭和航天器的3D打印阀门和配件，用于控制推进剂流量和其他流体。 有效载荷整流罩：3D打印了用于在发射期间保护卫星和其他有效载荷的整流罩组件。 栅格舵：猎鹰火箭一级的栅格舵也采用3D打印制造，它是一种火箭飞行姿态控制装置。 在过去的几十年里，SpaceX与几个3D打印品牌合作为其火箭制造零件，最著名的是EOS、Concept Laser（GE 公司）、Velo3D、SLM Solutions、Stratasys和3D Systems。 SpaceX与Velo3D建立了紧密的关系，后者表示，SpaceX选择其Sapphire系统是因为它能够生产质量和性能始终如一的部件，即使是复杂的几何形状和具有挑战性的材料。虽然具体的合作细节并未公开披露，但该公司在本次星舰发射之后即向SpaceX表达祝贺，并表示“对于新的太空行业和全人类来说，这是一个巨大的里程碑，我们很荣幸能与像SpaceX这样的创新型客户合作，他们正在突破各自行业的可能性极限”！ 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.SLM-在传统加工零件上高精度3D打印，为整体制造降本增效 2.重磅分享（二）：航空航天增材制造产线建设面临的挑战与要求 3.电弧增材制造获评中国航天科技集团2022年度十大技术突破 4.人族火箭发射升空，即是3D打印技术大规模应用的重要里程碑

4月17日，中国航天科技集团集团公司召开2023年度研发工作会，公布了2022年度十大技术突破项目评选结果，首都航天机械有限公司电弧增材制造技术入选，这也是该公司首次荣获集团十大技术突破项目。3D打印技术参考注意到，电弧增材制造技术正在被国内外航天领域加速使用。 开辟型号生产“快车道” 8年前，首都航天机械有限公司（以下简称公司）从零起步，开始电弧增材制造技术研究。在时任一院副院长兼总工艺师王国庆的带领下，公司确定了“航天高强铝合金”这一主攻方向。团队戮力同心，使这项技术在公司生根发芽、迅猛发展。一项项专利，一件件设备，一次次成功的工程应用，公司逐步打响了航天增材制造“金名片”。 电弧增材制造技术具有成形效率高、设备成本低、柔性制造等优点。近年来，航天任务呈高强密度态势，团队充分发挥电弧增材快速响应的优势，为型号生产开辟了一条“快车道”。 2018年12月初，长征十一号火箭遥五配重支架的生产任务到公司，产品生产周期紧张，采用传统的铸造、锻造制造方式难以满足快速低成本的交付需求。就在此时，电弧增材技术作为一种型号产品生产的新方法进入了设计及工艺部门的视野。团队与设计人员快速对接，明确工艺控制要点，制定工艺方案。从模型处理、路径轨迹规划、生产准备到产品完成成形，仅耗时2天。2018年12月22日，该产品通过飞行考核，这是电弧增材制造产品首次在国内航天领域得到应用。 出流底盖是载人登月火箭的关键复杂产品。以往，该产品采用旋压成形，需要新制工装，研制周期长达半年，耗费60万元成本。团队应用了独立研制的“机器人+变形机”为核心的高效电弧增材制造系统，在成形过程中在线测量调整，仅用1个月就完成了复杂结构的研制，减少40万元的成本。 在重点型号领域的应用上，电弧增材技术也成绩斐然。重点型号的很多大型铝合金舱段都是内加筋结构。该结构是曲面，非规则分布、异常复杂。当时，国内主流的增材制造路径规划软件只能实现平面结构的成形。公司电弧增材团队与外单位合作，成功开发出基于曲面结构特征的径规划软件，解决了内加筋结构电弧增材制造难题。 某型号多功能舱呈细长型，中间的隔板结构十分复杂。上一个制造公司采用铸造的传统方法，通过7次技术迭代，耗时1年才完成生产。公司根据产品特性，改造电弧增材设备平台，设计成形路径，仅用2个月就完成功能舱生产，一次性通过气密液压试验，用优异成绩证明了技术实力。 电弧增材卫星支架 截至目前，公司已有11件电弧增材产品通过飞行考核，成功率达100%，支撑构建了我国航天型号快速响应发射能力。 迈开市场化步伐 2019年，公司开始部署增材制造领域全方位的能力提升，推动组织机构的调整。新成立增材制造分公司迈开市场化步伐，大力开展装备输出、技术输出，不断释放活力。 首都航天机械有限公司廊坊增材制造分公司 2020年8月，南昌航空大学来公司开展调研。调研组被公司先进的增材制造设备和产品吸引，在肯定公司技术实力的同时，提出了采购电弧熔丝增材制造装备的需求。在此之前，公司乃至整个航天系统都没有此类装备输出的先例。团队积极主动与客户沟通，制定了完善的技术方案。无论是整机设计，还是硬件集成和软件开发，都是根据需求量身订制，凭借过硬技术赢得了客户的信任，成功中标，实现了公司增材制造装备输出零的突破。 今年是增材制造分公司成立的第3年，团队瞄准非标装备研发方向，继续深入挖掘潜在客户，向更广阔的市场主动“进军”。“目前，我们的电弧增材装备已经在国内打开了市场，有了一定的知名度。”团队带头人王福德总工艺研究师骄傲地说道。 团队输出的产品有4种。柔性可扩展熔化极设备是主推的“明星产品”，它适用于大部分金属材料，有可拆卸的柔性平台，能加工1.2到2.4米的产品，具备在线监测、除尘等多种功能；非熔化极电弧增材设备则是易氧化材料加工的“主战场”；双路沉积设备适用于大尺寸复杂产品生产，成形幅面达到4米乘2米，是“进阶版”用户的首选；增减材复合制造设备将电弧增材、热处理、产品检测等多个工序集成，实现了整条生产线输出，大大提高了经济效益。2023年，公司还将完成4套电弧增材制造装备的商业竞标，未来产业化推广前景广阔。 熔化极电弧熔丝增材装备（左）、非熔化极电弧熔丝增材装备（右） 多年攻关过程中，公司电弧增材技术已达到国际先进、系统内领先的水平，在材料、工艺等方面形成10项标准，充分发挥了内部规范和外部引领的双重作用。电弧增材制造工艺对丝材质量要求更高，普通的铝合金焊丝难以满足要求，容易产生气孔、裂纹等缺陷。团队成员李权博士在参加学术交流会期间，注意到合金元素含量对铝合金性能的影响。受此启发，团队进一步研究丝材成分，提出了“高纯、降铜”抑制层间偏析的制造路线，研制出了适用于电弧增材的焊丝，成功解决了产品力学性能难题。新丝材将产品力学性能各向差异降到3%之内，产品抗拉强度达到440兆帕，延伸率达到10%。团队申请了国家发明专利，制定出首个集团级电弧增材制造丝材标准，确保今后的选材有据可依。 未来，公司将继续面向工程一线，开展电弧增材技术研发，不断完善“材料-工艺-装备-标准”技术体系，努力为航天高质量发展做出更大的贡献。 注：本文内容来自首都航天机械有限公司，转载已获授权。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.视频：ORNL使用3组机器人，电弧3D打印大尺寸金属零件 2.西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展 3.波音扩大电弧增材制造工艺测试，将3D打印大型铝合金构件 4.电弧增材如何实现基于三维数据的离散堆积或层叠3D打印？

 4月12日，Relativity Space公布了《Terran 1火箭首飞任务报告》，复盘了首飞任务的价值和意义，并宣布公司此后不再研发生产该型火箭，而是将工作重心转移到可重复使用的Terran R火箭。 Relativity的联合创始人兼首席执行官Tim Ellis表示，Terran 1就像一辆概念车，通过它开发了许多有价值的全新技术，重新定义了可能性的界限。自2017年以来，该公司一直将Terran 1作为一种可消耗的两级小型运载火箭进行宣传，该运载火箭可将1250公斤的有效载荷运载至近地轨道，每次任务的价格仅1200万美元。 在任务报告的第一页，文件指出，通过对Terran 1的设计、开发、生产、测试和发射，Relativity已经证明了个对商业愿景至关重要的主要假设：3D打印火箭在结构上是可行的，能够承受飞行过程中的最大应力。 而对于此次任务失败的原因，报告指出，是因氧泵工作异常导致二级未能正常点火。但Terran 1发射证明了公司的设计能力，该项目期间获得的经验、教训和数据将为开发大型可重复使用火箭Terran R做出重要贡献。而对于为何停止研发生产Terran 1，该公司并未说明原因。  Terran 1发射过程 除此之外，通过Terran 1的开发，Relativity公司开发了第四代星际之门（Stargate）金属3D打印机。3D打印技术参考注意到，该公司于4月14日首次发布了该装备的运行过程。 第四代Stargate 3D打印机于2022年10月宣布推出，新系统“克服了传统的打印限制”，打印机可以水平移动并能够将多根金属丝送入单个打印头。该公司正在使用这台新机器开发和生产Terran R的部件，这是一种即将推出的火箭，能够向近地轨道发射高达20吨重量的货物。 与前三代打印机相比，Stargate第4代打印机打印速度显著提高，前三代Stargate打印机的打印速度已经远远超过了行业标准，新版本打印速度比上一代快7-12倍。全新的打印方向使用水平移动打印可提高打印尺寸，消除了影响3D打印机垂直打印高度的天花板限制。通过水平打印，能够生产长达120英尺（约36.5m）、宽24英尺（约7.3m）的零件，打印体积容量是之前第三代产品的55倍。同时需要注意的是，更大的打印尺寸，意味着可以合并更多的零件，火箭的零件组成数量将进一步降低，火箭的总体制造速度也将提升，强大的过程监控感知技术提高打印质量和工作效率。这种自上而下的3D打印生产方法，利用软件驱动、机器学习来创建更复杂和更大的金属零件，使该行业实现了前所未有的创新以及颠覆性发展。  第四代Stargate 3D打印机 Terran R将依靠第四代星际之门3D打印机和第三代铝合金生产火箭结构，设计能力为飞行器的主要结构可重复使用20次，每个Terran R需要的3D打印质量大约是Terran 1的六倍。 3D打印的Aeon R发动机 第四代Stargate 3D打印机制作的18英尺圆顶悬挂在6英尺3D打印的Aeon R引擎上方 TerranR火箭 Terran R火箭一级使用13台3D打印的Aeon R发动机，二子级采用1台Aeon真空型发动机。 Relativity计划于2026年发射Terran R，这又是一场漫长的等待和烧钱的过程。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.人族火箭发射升空，即是3D打印技术大规模应用的重要里程碑 2.重磅分享（二）：航空航天增材制造产线建设面临的挑战与要求 3.NASA纯干货分享：采用3D打印研制火箭发动机的失败教训与经验总结（重新认识构建过程） 4.NASA喷气推进实验室公布2022年三项3D打印应用成果

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享 近日，南京航空航天大学顾冬冬教授等人回顾了近年金属零件激光增材制造技术在高端领域的应用研究，系统地讨论了激光增材制造组件在航空航天、汽车、生物医学和核能行业的应用和未来发展。相关总结和评述于2023年1月27日在线发表于《Laser Additive Manufacturing of Metallic Materials and Components》。  原文链接：https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823783-0.00016-4 激光增材制造在航空航天工业中的应用 航空航天增材制造的应用场景包括大型金属部件、复杂集成结构、轻质晶格结构的增材制造。在该领域，顾冬冬教授发表过《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》一文，因此本部分为避免重复，以增材制造技术前沿的介绍为主。 激光能量沉积和粉末床熔融工艺已经被证明可用于大型金属部件的直接制造。对于激光能量沉积，国内最知名的案例是西工大使用该工艺为商飞C919生产了超过3米长度的TC4合金翼肋条，王华明教授也使用该工艺生产了战斗机使用的主承力框；在国外，NASA使用该工艺制造了大型火箭燃烧室。对于粉末床激光熔融工艺，近年来也得到了极大发展，尤其体现在大尺寸制造方面。当前装备甚至可以打印超过米级的零件，诸如火箭和导弹发动机的燃烧室、发动机箱体，均可以实现高精度制造。在此方面，国内外均有实际案例。 复杂结构集成制造也是航空航天领域增材制造技术应用的重点，尤其以GE航空最为知名。在最新的案例中，该公司合并了150个零件，设计和3D打印了涡轮中心框架（TCF）外壳；此前，它还创造了将300个零件合并为一个经典案例。一体化集成堪称3D打印制造的最佳实践，它是对传统制造方式的重大改变，影响了产品性能、开发方式以及制造相关的方方面面。  轻质晶格结构也是航空航天领域的重要应用，其在卫星蒙皮结构、支架等产品中有大量应用，最直接的优势就是减重。同时该结构当前也已经应用到了民航领域，空客商用飞机的机舱舱壁是近年来的一个成功案例。  图1 激光定向能量沉积和激光粉床熔融制造大型复杂金属构件  图2 由空客公司设计，激光选区熔化制造的新型客舱隔板 激光增材制造在汽车工业中的应用 汽车工业的燃油经济性对于降低碳排放对环境的负面影响至关重要。使用轻量级组件对于实现这一目标至关重要。拓扑优化在汽车零部件设计中的减重效果明显。重量的减轻与制造阶段的能源消耗减少有关。然而，拓扑优化在特定约束和设计条件进行结构优化设计时，通常不考虑结构的可制造性。这些优化的结构通常很难或不可能用传统工艺制造。激光增材制造（AM）作为一种先进工艺，为复杂拓扑结构的优化提供了自由。拓扑优化和增材制造技术如何结合在一起，为汽车行业的轻量化和低成本结构提供一个良好的选择。拓扑优化之前会采用有限元分析对初始设计的结构安全性进行研究，然后进行拓扑优化，在不增加激光增材制造部件重量的情况下提高其结构效率。研究人员利用AlSi10Mg合金低密度、高抗拉强度的特点，制备了一对优化后的构件，如图3所示。 图4a是布加迪采用LPBF技术进行电机支架的系列生产，该电机支架具有集成水冷，起到主动热屏蔽的作用，可以显著减少热量传递，目前该发动机支架已安装在所有系列车辆上。图4b是奔驰采用激光增材制造技术制备的零部件。图4c是刀具增材制造的实验程序，对刀具表面进行抛光，以保证工业实践通常要求的粗糙度。试验结果表明金属增材制造可以为冲压工艺提供性能优良的刀具，并显著缩短加工时间。此外，激光增材制造技术在压铸随型冷却通道设计方面也取得了突破。减小冷却通道与压铸表面的距离，以一致的速率散热促进散热均匀性，图4d。 使用高精度Trumpf TruPrint 3000设备制造了保时捷活塞，如图5所示。该过程从利用激光增材制造对活塞进行拓扑优化，每个活塞都比批量生产的锻造活塞轻10%。6个活塞安装在3.8L双涡轮发动机上，进行耐久性测试。在满载情况下运行了135小时，在不同速度的拖动负载下运行了25小时。经过200小时的测试，不仅6个活塞都通过了严格的测试，而且这些铝活塞也有潜力与铸造或锻造的活塞相匹配甚至超越。事实上，保时捷并不是唯一一家研发增材制造组件的汽车制造商。布加迪工程师采用激光增材制造技术制造出制动卡钳，比以前使用的制动卡钳轻5磅，如图5所示。  图3  金属增材制造零件拓扑优化和制备实体零件 图4 汽车工业中金属部件和工装的激光增材制造零件:(a) 激光增材制造技术加工的布加迪电机支架;(b)小批量生产奔驰正品替换件;(c)刀具增材制造程序;(d)冷却模具的设计和激光加工图5 激光AM金属零件的验证:AM加工的保时捷发动机活塞耐久性试验 激光增材制造在生物医药行业中的应用  由于激光增材制造具有专为患者设计、复杂性高、生产率高、成本效益高等优点，在生物医学领域得到了广泛应用。增材制造在生物医学中的主要应用包括组织工程模型、解剖模型、药理设计和生物医学仪器。与传统的医疗器械制造技术相比，激光增材制造技术是一种具有发展前景的新型医疗器械制造技术。根据患者的临床图像，利用激光增材制造技术可以高效、准确地制造出定制的医疗器械和手术导板。此外，激光增材制造可与多种生物相容性材料兼容，如锌合金、钴铬合金、钛合金等，被广泛应用于植入物和矫形器/假体制造。  工作流程包括四个步骤:医学成像、3D建模、增材制造和临床应用。图6a是从医疗数据到最终增材制造的工作流程。激光增材制造的另一个好处是它能够制造复杂的轻质形状，如晶格结构。图6b是基于三周期最小表面设计的多孔金属生物材料具有低弹性模量、远超皮质骨强度的高屈服强度和超长疲劳寿命，耐久极限超过其屈服强度的60%的理想组合。为了设计生物材料和骨科植入物的小尺度几何形状，可以使用骨组织适应模型或拓扑优化算法。这促进了植入物的合理设计，因为仿骨生物材料或植入物不是通用的，而是针对特定患者的特定机械负荷条件。 图6c是采用激光增材制造技术用于固定面部轮廓，恢复正常的外观和功能。激光增材制造技术的能力，如快速生产患者特定的植入物，减少患者的创伤，并通过更短的手术时间提高手术的成本效益，从而使患者更快地恢复，通过该应用得到了证明。图7是使用增材制造技术设计和打印的生物植入物的示例，包括单胞CAD模型和增材制造制胞状结构。这个案例表明增材制造技术可以开发最接近曲面的晶格结构。同时，利用增材制造技术制造的金属生物医用植入物的骨整合表面可以避免应力屏蔽现象，促进骨的长入。  图6 生物医用金属植入物的激光增材制造:(a)从生物医学数据到最终部分的流程图;(b)基于三周期最小曲面和拓扑优化的增材制造金属多孔种植体;(c)由Ti6Al4V制作的下颌骨种植体 图7 (a)种植体和细胞结构的CAD设计;(b)人造髋关节假体。  激光增材制造在核能工业中的应用 用于核反应堆应用的材料有严格的性能要求，必须能够耐受极端环境，包括高温、辐照和在受到机械应力时与腐蚀性介质接触。增材制造已被证明可以制备许多类型核材料部件。这些零件可用于国际热核实验反应堆的冷却系统。该模型具有特定的几何形状，包括薄壁(以加强热交换)和内部冷却通道。薄壁模型的一个例子如图8a所示。图8b是经过36小时的LPBF加工，具有内部冷却通道的预制件，平均气孔率约为1%。另一个例子是带有内部铜冷却通道的不锈钢组件，其中氦气将被用作冷却剂。为了提高换热元件的换热系数，内表面必须具有特定的几何形状。也有研究人员使用PHENIX-100机器通过增材制造技术制造了这种双组份物体(不锈钢/铜)，经检测，零件无孔洞、裂纹等缺陷（图8b）。  图8 激光增材制造加工的核能部件:(a)用于冷却系统的激光增材制造薄壁集复杂模型;(b)铅基反应堆燃料组件及其增材制造组件 总结和展望 (1)设计自由、制造复杂结构的能力是激光增材制造技术的主要优点。随着这一技术的进步，已用于各种高端应用，包括航空、航天、汽车、生物医学、核能等。(2)最近的发展表明，激光增材制造能够制造具有不同金属材料、复杂结构和优异力学性能的接近全密度的金属部件。(3)材料、结构和性能的一体化对于追求高性能和轻量化零件很重要。激光3D打印技术在制造一些典型金属结构及其在航空航天、汽车、生物医学和核能领域的应用方面已经开始展现出巨大的潜力和优势。(4)虽然增材制造技术与传统制造方法相比具有许多优势，但它仍然被大多数高端行业视为一种小众技术。为进一步获得业界认可，需要在设计、材料、新工艺和机器等多方面进行研究和开发，以扩大AM技术的应用范围，并将其提升为主流技术。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.人族火箭发射升空，即是3D打印技术大规模应用的重要里程碑 2.重磅分享（二）：航空航天增材制造产线建设面临的挑战与要求 3.NASA纯干货分享：采用3D打印研制火箭发动机的失败教训与经验总结（重新认识构建过程） 4.NASA喷气推进实验室公布2022年三项3D打印应用成果

近日，3D打印技术参考注意到美国国家航空航天局喷气推进实验室（NASA Jet Propulsion Laboratory，JPL）发布了2022年技术应用亮点报告，包括高级高保真紧凑成像光谱仪、深空太阳能阵列、量子电容探测器等共32项，其中关于3D打印技术的应用就涉及三项。  本期内容将详细介绍被JPL实验室纳入技术亮点的3D打印技术应用，同时需要注意的是，该实验室是3D打印技术研发和应用的重要机构，代表案例便是在毅力号火星车上的重要应用。 013D打印仿生结构精细亚毫米天线 为航天器和高空气球设计和制造天线是很困难的。从本质上讲，天线体积庞大，在太空发射过程中要承受巨大飞行压力同时要保持尺寸稳定，因此其制造一直是重要挑战。亚毫米天线用于各种地球观测、行星科学和天文学应用，需要在微小波长范围内工作，因此其制造过程不能引入缺陷，以保证其能够在较宽的温度范围内工作。 传统上，这些天线采用玻璃制作，在天线表面沉积一层薄的反光材料（如镍），背面则粘贴一个由金属蜂窝或金属条制成的支撑结构。其制造过程耗时且容易出错，在极端温度下工作时也有潜在的缺点，由于材料会以不同的速率膨胀和收缩，可能给天线带来应力和不均匀的变形。 JPL实验室的工程师试验了3D打印新工艺，其成本低，可以很容易适应不同的应用。这种新方法使用单一材料来创建支撑结构和反射表面，从而大大简化了制造过程，并获得了统一的膨胀系数。这使得整个单元对温度变化的反应一致，天线上的应力更小，变形更少，能够在使用过程中提供更好的信号。 具有仿生设计的铝合金反射镜（直径20cm） 3D打印的直径10cm的对称抛物面反射器的反射表面和背部结构 研究团队使用铝粉打印了仿生结构天线，实现了采用更少质量创建更复杂的天线设计的突破，同时也实现了传统制造技术无法实现的任务优化形状。通过使用复杂的设计软件，天线支撑元件可以根据需要调节厚度，这进一步有助于提高性能，进行高效设计。 事实证明，经过仿生设计的反射镜（直径20cm）显示了高度优化的背部结构，它只能通过计算机优化来实现，同时也无法通过传统加工来制造，而3D打印技术简化了这种天线的制造方式。事实证明，3D打印技术能够制造高性能、热稳定的天文和遥感天线。 023D打印多材料高性能磁屏蔽器 随着美国宇航局的机器人航天器越来越有能力探测来自太空的微弱信号，它们对机载机械的干扰也越来越敏感。在传统设计中，电子“噪声”设备使用金属外壳屏蔽。 为了优化它们的性能，这些外壳传统上采用减材加工高强度的金属块制造而来，既昂贵又耗时，且材料浪费极为严重。而最大限度提高电磁屏蔽的有效性，需要对结构进行优化，设计的复杂形状却又造成难以制造。 采用DED工艺打印磁屏蔽结构 JPL实验室使用的新技术利用了增材制造的优势，能比以往任何时候都更快、更容易制造出性能更好的磁屏蔽结构。激光能量沉积工艺结合激光和粉末，利用送粉方式在计算机控制下一层一层打印零件，同时能够通过改变粉末的成分，在最有效的地方沉积不同的金属合金，从而使多材料磁屏蔽制造成为可能，提高了屏蔽性能。 这是传统其他制造工艺所无法实现的，所需的时间也大大减少。与以前相比，3D打印得以用更小的质量和更低的成本实现更有效的屏蔽。033D打印可变形航天器结构 一些太空任务组件，如天线和居住模块，体积庞大，受到火箭整流罩尺寸的限制。而如果不考虑这一因素，可发射组件可以更大，功能也会更强，这在可预见的未来也许能够实现。 JPL团队开发了一种新的3D打印织物，在太空部署后可以变化为所需的形状。这些形状变形材料的灵感来源于链甲，通过打印互锁的粒子来制造，每个粒子都可以独立移动一小段距离，从而实现参数定制，非常适合特定用途。然后，这些柔性结构可以被卷成或折叠成非常小的尺寸，装入火箭整流罩进行发射。 JPL团队开发的结构可调节3D打印织物 创建一个可变形的结构需要对最终的刚化结构有一个一般但不一定精确的认知，以设计合适的互锁粒子。这些结构片材可以在有柔性的情况下成形，并且可以通过改变压力来调节刚度以获得所需的形状。然后，对相邻的结构施加力，使它们挤在一起，联锁成最终的刚性结构。3D打印技术参考注意到，该研究还曾以《Structured fabrics with tunable mechanical properties》为题发表于Nature。  这些结构织物在NASA任务和消费产品中都有许多潜在的应用。它们可以用作可展开的散热器、天线、太阳能电池板、辐射防护毯或微流星体防护罩。它们也可以作为暴露在长时间微重力环境下的宇航员的身体外骨骼；在地球上，这种结构织物可以用于医疗保健，作为自适应组件，在伤口愈合时调整其硬度，或者作为消防员或士兵的抗冲击服装。它们的特点是可折叠和可装载，然后在太空中展开成更大的刚性形状，这将可以制造更大的可定制组件和形状来实现最佳性能。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业洞察：高强铝3D打印材料体系、市场化历程及其应用现状 2.五千字分享：NASA采用3D打印研制火箭发动机的失败教训与经验 3.精致且可靠 | 小尺寸金属3D打印机的技术要点不容忽视 4.聚焦应用丨报名深圳「金属增材，升级生产力」研讨会