本文試圖深度解析NASA與DM3D Technology合作完成的具有里程碑意義的大型金屬增材制造火箭發(fā)動機噴管里襯項目，分享技術(shù)和應(yīng)用細節(jié)。
在航天工業(yè)高速發(fā)展的今天，推進系統(tǒng)的制造效率與成本控制始終是制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
特別是在商業(yè)航天蓬勃發(fā)展的背景下，如何快速、經(jīng)濟地制造大型火箭發(fā)動機核心部件，成為擺在每個航天企業(yè)面前的重要課題。
NASA聯(lián)合DM3D Technology算是DED送粉的經(jīng)典案例 — 使用創(chuàng)新的大型金屬增材制造設(shè)備成功制造了RS-25火箭發(fā)動機的噴管襯里。
這個高度達10英尺（約3米）、直徑8英尺（約2.4米）的大型金屬構(gòu)件的DED3D打印成功制造。
為什么這個項目如此重要？
在深入技術(shù)細節(jié)之前，我們需要理解這個項目的重要性。
RS-25發(fā)動機是NASA太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的核心動力，被用于推動"阿爾忒彌斯"登月計劃。
其噴管襯里是發(fā)動機的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)上依賴鍛造或旋壓等工藝制造，不僅周期長，成本高，而且難以快速迭代優(yōu)化設(shè)計。
讓我們看看當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)的尺寸現(xiàn)狀：
通過上圖的總結(jié)分析可以看到，目前主流的金屬3D打印技術(shù)都面臨著尺寸限制。
按圖中所示，粉末床熔融（PBF）技術(shù)的最大制造尺寸僅為32"×16"×20"（約813mm×406mm×508mm），尺寸有限，當(dāng)然對于NASA來說，接觸到國內(nèi)的大型過米級的鋪粉設(shè)備機會很少，本文暫不討論用PBF生產(chǎn)此類大型火箭噴管。
而電子束沉積（EB-DED）雖然可以達到96英寸直徑×48英寸高度（約2438mm×1219mm），甚至更大，但在材料選擇上仍有明顯局限。
電子束和電弧焊接基技術(shù)雖然具有較高的沉積效率，但其較大的熱輸入會導(dǎo)致嚴重的變形問題，同時也限制了其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面的應(yīng)用。
這些限制使得大型航天部件的增材制造一直停留在理想階段。
突破性技術(shù)：DMD/DED多噴嘴系統(tǒng)的創(chuàng)新
針對這一挑戰(zhàn)，和NASA合作的DM3D開發(fā)多噴嘴協(xié)同系統(tǒng)。
從上圖可以清晰地看到這套系統(tǒng)的設(shè)計：
9軸運動系統(tǒng)搭配雙5kW光纖激光處理頭，實現(xiàn)了120英寸（約3048mm）直徑、120英寸（約3048mm）高度的超大工作空間。
每個工作頭最高90g/min的送粉效率配合±45°可傾斜的設(shè)計，為大尺寸懸臂結(jié)構(gòu)的制造提供了可能。
AM易道認為，這套系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵不在于其突破性的尺寸能力，更重要的是能否解決大型件制造中的幾個關(guān)鍵技術(shù)難題：熔池控制、殘余應(yīng)力管理以及工藝穩(wěn)定性保證。
其聲稱，通過閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了大型構(gòu)件制造過程中的精確控制。
系統(tǒng)采用FANUC多軸控制器來確保所有運動軸的精確同步，這在大型構(gòu)件制造中起著決定性作用。
特別值得一提的是預(yù)熱送粉系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計：通過對送粉氣流進行預(yù)熱，不僅提高了粉末的沉積效率，更重要的是有效預(yù)防了成型過程中的氣孔形成。
這種設(shè)計充分考慮了大型構(gòu)件制造過程中材料性能的穩(wěn)定性需求。
RS-25噴管襯里的制造突破
在確定了設(shè)備方案后，項目團隊選擇了JBK-75不銹鋼作為噴管襯里的制造材料。
這是一種可時效強化的超級合金，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高溫強度和抗氫脆性，特別適合火箭發(fā)動機熱端部件的應(yīng)用。
JBK-75是一種源自A-286的鐵鎳基衍生合金，作為一種高性能材料在航空航天推進系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用。
這種合金最初是由NASA專門為推進系統(tǒng)部件開發(fā)的，特別適用于燃料噴射器等需要在高溫、腐蝕性環(huán)境下工作的關(guān)鍵部件。
該材料的突出特點在于：
優(yōu)異的高溫性能
出色的抗腐蝕性能
卓越的抗氫脆性
良好的力學(xué)性能和加工性能
在增材制造領(lǐng)域，NASA馬歇爾航天飛行中心（MSFC）已經(jīng)成功開發(fā)出了JBK-75的LPBF粉末床熔融工藝參數(shù)。
通過精確控制激光功率（147W）、掃描速度（600mm/s）和掃描間距（85μm），實現(xiàn)了99.6%的致密度。
這為該材料在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
NASA
工藝參數(shù)的開發(fā)采用了系統(tǒng)化的實驗設(shè)計（DOE）方法。
從金相分析結(jié)果來看，優(yōu)化后的工藝不僅實現(xiàn)了極低的孔隙率（<0.2%），更形成了理想的柱狀枝晶組織結(jié)構(gòu)。
這種組織特征對于承受高溫、高壓、氫環(huán)境的火箭發(fā)動機部件來說至關(guān)重要，它不僅提供了良好的力學(xué)性能，更確保了結(jié)構(gòu)的均勻性和可靠性。
在制造策略的選擇上通過上面兩張圖的對比可以看到，團隊使用ANSYS增材制造仿真軟件對喇叭口朝下和朝上兩種制造方案進行了詳細分析。
雖然喇叭口朝上的方案在后期加工和測量方面具有一定優(yōu)勢，但仿真結(jié)果清晰地表明，喇叭口朝下的制造方案能夠顯著降低構(gòu)件的變形量。
這一發(fā)現(xiàn)為最終的工藝方案選擇提供了重要依據(jù)。
實際制造過程中的創(chuàng)新同樣令人印象深刻。
從上圖中可以看到雙噴頭同步工作的場景，這種工藝方案不僅將沉積效率提升到了6-7磅（約2.72-3.18千克）/小時。
更重要的是通過優(yōu)化的熱輸入控制，確保了大型構(gòu)件制造過程中的溫度場均勻性。
75-78%的高粉末利用率不僅體現(xiàn)了工藝的成熟度，也為未來的工程化應(yīng)用奠定了經(jīng)濟基礎(chǔ)。
最終完工的構(gòu)件重達4100磅（約1860千克），連同2000磅（約907千克）的底板，總重量達到6100磅（約2767千克）。
質(zhì)量控制同樣采用了最先進的方案。
使用Hexagon Metrology的StereoScan neo R16 – FOV 850三維掃描系統(tǒng)進行了高精度檢測，如下圖所示。
系統(tǒng)采集了超過650萬個三角面片（約2000萬個點）的數(shù)據(jù)，通過與原始CAD模型的對比，實現(xiàn)了全尺寸的精度驗證。
這種高精度的檢測手段目前幾乎是航空航天界的標配，為大型金屬構(gòu)件的增材制造提供了可靠的質(zhì)量保證方案。
技術(shù)應(yīng)用前景分析
AM易道認為，大型金屬產(chǎn)品的3D打印一直以來是DED的戰(zhàn)場，雖然近年來，SLM技術(shù)的打印尺寸越來越大，但是成本和效率來講，DED仍具備核心優(yōu)勢。
至于DED是送粉還是送絲，采用什么樣的能量源，目前業(yè)界尚未由明確的路線勝出，需要根據(jù)應(yīng)用的具體性質(zhì)而評判各細分方案的優(yōu)劣。
以本文的DED送粉技術(shù)來說，除了RS25發(fā)動機，SpaceX的猛禽和梅林發(fā)動機、Blue Origin的BE-4和BE3/BE3U發(fā)動機、Virgin Orbit的Newton 3和Newton 4發(fā)動機等多個重要項目都在評估采用這一技術(shù)。
在航空發(fā)動機領(lǐng)域，大型機匣和渦輪部件的制造同樣可以受益于這項技術(shù)。國防工業(yè)中的大型武器系統(tǒng)組件、能源行業(yè)的渦輪機葉片和壓力容器、海洋工程中的特種部件，都是這項技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。
寫在最后
展望未來，DED的大型金屬3D打印應(yīng)用發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。工藝的進一步優(yōu)化、材料體系的拓展、智能化控制的提升，比起LPBF金屬打印仍有不小的差距，這都是未來需要重點關(guān)注的方向。但從底層邏輯來說，AM易道認為，隨著商業(yè)航天活動的日益頻繁，大型金屬構(gòu)件的增材制造技術(shù)需求旺盛。且只要夠大，仍離不開DED，很難期待每個航空航天用戶都能用得起米級甚至兩三米級的SLM設(shè)備。
但從底層邏輯來說，AM易道認為，隨著商業(yè)航天活動的日益頻繁，大型金屬構(gòu)件的增材制造技術(shù)需求旺盛。且只要夠大，仍離不開DED，很難期待每個航空航天用戶都能用得起米級甚至兩三米級的SLM設(shè)備。
