3D打印孔隙缺陷再变利器，开发先进火箭发动机！

孔隙通常被认为是LPBF金属3D打印的缺陷，但在透气钢、过滤、催化等领域却是一种有益结构。

3D打印技术参考于近日注意到，这一所谓的缺陷，竟然在旋转爆震发动机上也实现了功能性应用！要知道，此类发动机在火箭领域可是属于前沿颠覆性的技术。

航空航天企业Astrobotic与金属3D打印材料开发商Elementum 3D合作，开发出一种名为PermiAM的新型金属3D打印工艺，所使用的材料为铝合金和铜合金。

它基于传统的LPBF工艺，能够在一个制造过程中，既能保持材料整体致密度，又能在指定位置原位获得开孔孔隙结构，而且这些孔隙的大小、形状、连通性均能按照工程需求进行精细调节。

双方表示，这项技术对于超音速应用和火箭发动机喷注器制造尤为关键。他们指出，在生产过程中控制部件的孔隙率，使工程师能够构建针对极端应用优化性能的定制化流体控制系统，同时简化设计步骤并降低成本。

日前，基于PermiAM技术的3D打印燃料喷注器已成功通过热火测试，充分验证了该技术的可行性。

开发团队的目标是制造具有“面冷却”能力的复杂结构火箭发动机喷注器。他们测试了三种材料（两种铝合金和纯铜），进行了多种样品验证和22次发动机测试。

样品测试包含不同参数打印的立方体和30个测试圆片。其中，立方体由A1000-RAM10铝合金3D打印，用于测试孔隙生成情况；30个测试圆盘用于评估气流。

研究人员使用三种不同扫描参数制造了三种具有不同内部结构的立方体样品，分别为：相对密度为74.7%，开孔率为13.2%；相对密度为88.3%，开孔率为5.4%，零件内部含狭窄的通道；相对密度为76.5%，开孔率为17.2%，零件内部包含更为曲折的通道。

这意味着研究人员成功实现了对内部孔隙的精准调控，既能够打印出高强度、小流量、笔直通道的结构（中），也能打印出高孔隙率、大流量、迷宫式曲折通道的结构（右）。

工程师因此能够根据火箭发动机不同部位的需求，设计和制造出具有不同功能需求的结构，这很像是国内毅速科技的随形透气结构。

此外，研究人员还特别指出，在高孔隙率结构样品外围的支撑环能够可靠稳定的实现高致密度成型，这对于喷注器面板至关重要，它除了能用于制造火箭发动机结构，还能为喷气发动机涡轮叶片和流体过滤组件等部件带来益处。

热试车实验表明，喷注器正常工作时端面的温度不超过50℃，而且经常低于10℃，这验证了“面冷却”的效果非常有效；此外，喷注器能承受超过5.52MPa的腔室压力，表明其即便存在大量孔隙，仍能保持整体强度。

基于以上两点表现，开发人员认为PermiAM技术完全能够满足NASA或其他商业航天项目的要求。

而最新的测试是，Astrobotic于近日对两台旋转爆震发动机原型机进行了八次测试，总时长470秒，其中包括一次长达300秒的连续燃烧。发动机的关键部件就使用了PermiAM技术。

报道指出，工程师在单个组件中结合了高密度区域来增强强度，在需要冷却和流体流动的区域设计了高孔隙率。

对火箭发动机而言，热量和流体流动难以控制，传统制造工艺通常需要多个零件、复杂的内部通道和组装步骤。而3D打印技术可以将这些特性直接集成到单个部件中。在此，控制金属内部的孔隙率有助于散热、提高稳定性并提升效率，这三点正是先进火箭发动机面临的最大挑战。

测试发现，每台发动机均产生了超过1.8吨的推力，且运行稳定，试车结束后发动机无明显损坏，后续将重点改进冷却、节流能力并减轻重量。

3D打印技术参考查询到，Elementum 3D开发了能够用于发动机的铝合金，并与Nasa在2023年就合作就开展了热火测试。

在应用方面，Astrobotic的旋转爆震发动机瞄准月球着陆器、空间飞行器等太空运输服务。

从毅速科技将3D打印孔隙在注塑领域发挥作用，再到Astrobotic将3D打印孔隙用于航天发动机部件制造，就可以看出这一常规被认为是缺陷的特征只要用的好，就能化劣势为优势！

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#孔隙 #3D打印 #发动机