增材制造技術(shù)前沿注意到，NASA此前成功測試了由3D打印制造的鋁合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。以往由3D打印制造的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴材料通常為鎳基高溫合金、銅合金或不銹鋼，材料的改變使噴嘴更輕，可攜帶更多有效載荷，從而為深空飛行奠定基礎(chǔ)。
根據(jù)該機(jī)構(gòu)的合作機(jī)會(huì)公告，NASA馬歇爾太空飛行中心的工程師與Elementum 3D公司合作，開發(fā)了一種可焊接鋁，其耐熱性足以用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。與其他金屬相比，鋁的密度較低，可用于制造高強(qiáng)度、輕質(zhì)的部件。
然而，由于鋁對(duì)極熱的耐受性較低且在焊接過程中容易破裂，因此到目前為止，鋁通常不用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件的增材制造。此前，NASA發(fā)起了名為Reactive Additive Manufacturing for Fourth Industrial Revolution Exploration Systems (RAMFIRE-ACO，用于第四次工業(yè)革命探索系統(tǒng)的反應(yīng)增材制造)項(xiàng)目，以期為發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭和棲息地提供重要的新設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。該項(xiàng)目下，NASA與 Elementum 3D合作，通過工藝開發(fā)、表征和測試來推進(jìn)高強(qiáng)度鋁合金的大規(guī)模定向能量沉積 (DED)工藝制造，并使供應(yīng)鏈可供更廣泛的航空航天、汽車和其他行業(yè)使用。
先進(jìn)鋁合金是具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性和低重量的理想組合，使其成為許多復(fù)雜運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的理想選擇。高強(qiáng)度鋁合金的使用受到這些合金較差的可焊性和可打印性的限制。Elementum 3D利用獲得專利的反應(yīng)增材制造 (RAM) 技術(shù)開發(fā)了一系列用于激光增材制造的可打印高強(qiáng)度鋁合金。這些原料的強(qiáng)度等于或超過可比的高強(qiáng)度鍛造鋁合金，同時(shí)與鍛造鋁合金不同，它們還可以焊接和3D打印。這些鋁合金目前被用于太空、航空航天和汽車行業(yè)，并為新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)鋪平了道路。RAMFIRE項(xiàng)目將把這些鋁合金發(fā)展至大規(guī)模DED工藝，為發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭和棲息地提供重要的新設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。
帶有整體通道的大型氣動(dòng)塞式演示噴嘴的制造工作正在進(jìn)行中
NASA和Elementum 3D將所開發(fā)的變體鋁合金命名為A6061-RAM2，并使用其進(jìn)行噴嘴打印?；鸺龂娮炀哂行〉膬?nèi)部通道，基于再生冷卻原理防止熔化。使用傳統(tǒng)的制造方法，噴嘴可能需要多達(dá)一千個(gè)單獨(dú)連接的零件。RAMFIRE噴嘴采用一體式設(shè)計(jì)，所需的連接大大減少，并顯著縮短了制造時(shí)間。
NASA的月球到火星目標(biāo)需要能夠向深空目的地發(fā)送更多貨物，這種新型合金可以在制造能夠承受高結(jié)構(gòu)載荷的輕型火箭部件方面發(fā)揮重要作用。STMD先進(jìn)制造首席技術(shù)專家John Vickers表示：“質(zhì)量對(duì)于NASA未來的深空任務(wù)至關(guān)重要。像這種成熟的增材制造和先進(jìn)材料項(xiàng)目，將有助于發(fā)展新的推進(jìn)系統(tǒng)、太空制造和月球、火星及其他任務(wù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施?！?/span>
鋁合金火箭噴嘴成功測試
今年夏天早些時(shí)候，兩個(gè)RAMFIRE噴嘴使用液氧和液氫以及液氧和液甲烷燃料配置完成了多次熱火測試。由于壓力室超過825磅每平方英寸 (psi)（超過預(yù)期的測試壓力），噴嘴成功累積了22次啟動(dòng)和579秒（接近10分鐘）的運(yùn)行時(shí)間，這表明噴嘴可以在最苛刻的深空環(huán)境中運(yùn)行。
NASA工程師在成功進(jìn)行熱火測試后檢查RAMFIRE噴嘴
“這個(gè)測試標(biāo)志著噴嘴的一個(gè)重要里程碑，在對(duì)噴嘴進(jìn)行一系列嚴(yán)格的熱火測試后，我們證明了該噴嘴能夠承受月球著陸器規(guī)模發(fā)動(dòng)機(jī)的熱、結(jié)構(gòu)和壓力負(fù)載。”
除了成功建造和測試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴外，RAMFIRE項(xiàng)目還使用RAMFIRE鋁材料和增材制造工藝來建造其他先進(jìn)的大型部件用于演示目的。其中包括直徑為 36英寸（914mm）的氣動(dòng)塞式噴嘴，其具有復(fù)雜的整體冷卻通道和用于低溫流體應(yīng)用的真空夾套罐。
采用A6061-RAM2 鋁材料開發(fā)真空夾套制造演示罐，該組件專為低溫流體應(yīng)用而設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有一系列壁厚約為1.5mm的整體冷卻通道
NASA和行業(yè)合作伙伴正在努力與商業(yè)利益相關(guān)者和學(xué)術(shù)界共享數(shù)據(jù)和流程。多家航空航天公司正在評(píng)估這種新型合金和LP-DED增材制造工藝，并尋找將其用于制造衛(wèi)星和其他應(yīng)用部件的方法。
易加三維3D打印1.3米單件式鋁合金火箭推進(jìn)器，使用大型計(jì)算工程模型設(shè)計(jì)
易加三維于2024年成功建造了一款高度超過1.3米的單件式3D打印火箭推進(jìn)器，并且充分利用了其EP650-1500打印機(jī)的大尺寸構(gòu)建能力。這款200kN的推進(jìn)器使用LEAP 71大型計(jì)算工程模型設(shè)計(jì)。
據(jù)了解，易加三維與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)緊密合作，將這一挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)采用鋁合金打印，采用了雙重冷卻策略：主燃燒室使用低溫液氧進(jìn)行再生冷卻，而噴嘴的上部則使用煤油進(jìn)行冷卻。打印質(zhì)量非常出色，整個(gè)過程連續(xù)打印了354小時(shí)（超14天），無需后處理，打印后的表面質(zhì)量非常優(yōu)秀。
與標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)技術(shù)相比，增材制造的零件可以提供復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)，并大大節(jié)省成本和進(jìn)度，為推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開辟了新的領(lǐng)域。材料選擇在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能和重量方面也發(fā)揮著重要作用。
