3D打印液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)? Launcher

航空航天增材制造應(yīng)用發(fā)展方向

成就復(fù)雜精密的零件

Launcher E?2液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)和低成本進(jìn)行了優(yōu)化，3D打印助力引擎達(dá)到了令人難以置信的技術(shù)水平：成就更高性能的液氧(LOX)和煤油(RP?1)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

從一開始，E?2就被設(shè)計(jì)成最高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)在小型衛(wèi)星發(fā)射器類中推力最大，推進(jìn)劑最低消耗量和每磅推力的最低成本。但是像E?2這樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要使用同樣創(chuàng)新的技術(shù)。為了幫助E?2從設(shè)計(jì)過渡到完全實(shí)現(xiàn)的部件，Launcher在每個(gè)階段利用3D打印和增材制造(AM)開發(fā)，這有助于降低項(xiàng)目成本并優(yōu)化其設(shè)計(jì)大量生產(chǎn)。

如果任何液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，到達(dá)軌道后，渦輪分子泵是該項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的部分之一……或者至少是挑戰(zhàn)的一半，用于分級(jí)燃燒的渦輪泵，由于封閉的循環(huán)，挑戰(zhàn)的水平會(huì)增加。

Launcher的工程師要求LOX泵的葉輪高度平衡，使其能夠以所需的30,000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)，在低溫條件下，同時(shí)運(yùn)輸液氧。3D打印的30,000 rpm轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生大約在渦輪機(jī)產(chǎn)生1兆瓦的電力，在這種類型環(huán)境，在4000 psi的排放壓力下，任何異常，包括轉(zhuǎn)子和定子之間的任何摩擦，都可能導(dǎo)致計(jì)劃外的拆卸。

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之前，為了避免使用難以移除的內(nèi)部支撐，增材制造工程師被迫將葉輪傾斜一個(gè)角度以完成增材制造。這種傾斜，旨在使零件可3D打印，但通常會(huì)產(chǎn)生不平衡的幾何形狀，這對(duì)這種類型的組件是有害的。3D科學(xué)谷了解到雖然這種方法可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)看起來像功能性葉輪的零件，但以這種方式3D打印的金屬打印零件通常會(huì)變得拉長(zhǎng)或不圓，并且無法在最終產(chǎn)品所需的公差范圍內(nèi)進(jìn)行平衡。

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通過Stratasys的直接制造服務(wù)，Launcher制造一個(gè)平衡良好的誘導(dǎo)葉輪，它將加速并驅(qū)動(dòng)LOX進(jìn)入燃燒室，從而產(chǎn)生更大的流體流動(dòng)并最終為火箭提供更大的推力。

通過集成兩個(gè)獨(dú)立的零件，將誘導(dǎo)輪和葉輪合二為一，通過3D打印成為效率更高的零件，打印材料是INCONEL?718，是一種耐腐蝕材料，具有良好的液氧兼容性和出色的低溫下的機(jī)械強(qiáng)度。

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硬件與軟件的組合實(shí)力

材料的反應(yīng)性越強(qiáng)在加工方面是另外一個(gè)挑戰(zhàn)，例如與航空工業(yè)首選的鈦或其他合金，由于其高強(qiáng)度重量比，可能的損壞就越大。這是因?yàn)檠鯕夂蜌錃鈺?huì)在零件中產(chǎn)生高孔隙率水平，從而對(duì)強(qiáng)度和剛度特性產(chǎn)生負(fù)面影響。

因此，氣體調(diào)節(jié)很重要，因?yàn)闆]有它，用戶將獲得不太完美的結(jié)果，這顯然不是航空航天等安全關(guān)鍵行業(yè)的選擇。在使用傳統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)這種惰性氣體流量以跟上激光發(fā)射過程中產(chǎn)生的煙灰通常是一個(gè)問題。這會(huì)導(dǎo)致煙灰堆積會(huì)干擾傳遞到粉末床的能量，從而導(dǎo)致結(jié)果不一致。

克服更常用的金屬3D打印遇到的問題，此案例中使用了Velo3D Sapphire?系統(tǒng)，憑借Velo3D固有的SupportFree?AM工藝，克服了與常用金屬AM增材制造技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)和制造妥協(xié)。

在取得積極成果后，零件經(jīng)過了磨料流加工工藝，使流體流動(dòng)順暢，還通過CNC數(shù)控進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)最終精度的精加工。該組件還經(jīng)過熒光處理、滲透檢查和涂層以驗(yàn)證達(dá)到項(xiàng)目規(guī)范。

像Launcher這樣的項(xiàng)目所面臨的部分挑戰(zhàn)是經(jīng)歷了如此多的建模、改進(jìn)和迭代的設(shè)計(jì)。借助Velo3D及其Flow? 軟件和Sapphire?3D打印機(jī)之間的協(xié)同作用，Stratasys Direct能夠通過真正的端到端增材解決方案交付這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

由于在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方面必須同時(shí)滿足卓越的耐用性和高溫工作的挑戰(zhàn)性要求，飛機(jī)硬件尤其難以通過3D金屬打印的方式來制造。VELO3D的技術(shù)能夠生產(chǎn)輕薄、復(fù)雜的設(shè)計(jì)部件，滿足最苛刻工作條件下的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用要求。

在國內(nèi)，所有的國際和國內(nèi)品牌都面臨著同樣殘酷的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，用戶在決策采購3D打印設(shè)備的時(shí)候，往往忽略了功能實(shí)現(xiàn)才是自己最終所關(guān)注的用戶價(jià)值所在，而是將設(shè)備商的硬件參數(shù)放在一起做比較，在看似“同樣”的設(shè)備配置基礎(chǔ)上，往往單純的去壓低設(shè)備商的價(jià)格。這是3D打印應(yīng)用端需要警醒的一個(gè)誤區(qū)，更穩(wěn)定更智能的設(shè)備是創(chuàng)造產(chǎn)品的基礎(chǔ)，忽略設(shè)備的軟性條件，這未免也將用戶自身的制造需求引入了另外一種誤區(qū)，對(duì)產(chǎn)業(yè)的自身發(fā)展也是極為不利的。