盘点:2017年金属3D打印航空航天大事件

国际金属加工网 2018年01月11日

1、Aerojet成功点火测试3万磅推力3D打印火箭发动机Bantam

又是Aerojet — 5月,该公司成功点火测试了其采用3D打印技术制造的液体燃料火箭发动机Bantam。这款发动机推力超过3万磅,是该公司在3年前测试的小号Bantam发动机的6倍,十分适合小型运载火箭以及低成本的高端市场使用,Bantam从最初设计到最终测试完成只用了短短7个月。其结构十分精简,仅由喷射器组件,燃烧室,以及喉部和喷嘴3大部分焊接而成。相比之下,普通的3万磅推力级火箭零部件数量通常都会超过100。此外,其制造成本也大大低于普通的火箭,而这些全部都要归功于3D打印技术。2、麻省理工(MIT)用尼龙3D打印的火箭发动机成功通过点火测试

4月,MIT一支学生团队成功对他们3D打印的一个火箭发动机壳体进行了点火测试。整个过程中,发动机表现良好,不但喷射出了超音速尾焰(意味着产生了足够大的推力),而且打印的壳体只有几毫米受损。然而令人震惊的是,发动机壳体采用的材料竟不是金属,而是最常见的一种塑料 — 尼龙!这无疑打破了我们对于火箭的常识性认知。不过据这支MIT团队透露,他们采用尼龙并不是因为没有其它选择,而是因为经费方面有限制。但最终,这却帮助他们取得了更加令人兴奋的成就,证明了原来用尼龙(塑料)造出的火箭发动机也是可以使用的。值得一提的是,这台发动机是使用当今最强之一碳纤维3D打印机制造商Markforged的第二代机型Mark Two打印的,而这或许正是它能通过点火测试的最重要原因。3、美国Aerojet公司成功测试最大3D打印火箭发动机部件,组件数量减少10倍

5月,Aerojet公司在俄亥俄州代顿市附近的怀特-帕特森空军基地完成了对其RL10火箭发动机的点火测试。这款发动机的推力室部件是通过激光烧结(LS)技术用铜合金3D打印的,带来了许多好处,主要包括:①降低了成本(具体数字未公布)②大幅缩短了时间 — 原先采用传统技术需要数月,现在只需不到1个月③大大简化了部件的组成,将组件数量从原先的近20个减少到了只有2个值得一提的是,除了RL10,Aerojet正在或已经用3D打印技术开发的航天应用还有许多,比如RS-25火箭发动机(将用于未来的航天发射系统),AR-1火箭发动机(美国砸8亿美元研制,目的是取代俄制RD-180火箭发动机),以及CubeSat卫星的推进系统(NASA委托)。4、华曙高科3D打印涡喷发动机转子件,通过10万转/次台架实验

2017年初,中国3D打印龙头企业之一的湖南华曙高科在国内成功实现了3D打印技术在发动机静子、转子类零件上的直接应用性验证,有望突破航空涡喷发动机的制造技术瓶颈。在台架试验测试环节,用传统工艺制造的涡喷发动机转子件在低于10万转/分钟的转速下破裂,而华曙高科3D打印涡喷发动机零件却经受住了考验!

华曙高科以新型发动机涡轮泵研制为背景,针对核心零件开展3D打印技术应用研究。其3D打印的静子件与转子件突破了盘轴叶片一体化主动冷却结构设计、转子类零件激光选区熔化成型的控形、控性等关键技术,解放了传统工艺对结构设计的束缚,实现了复杂狭长内通道转子类结构设计制造,使同类结构零件的换热冷却效果提升了90%。

同时,在大于104 ℃/s冷却速度下获得了纳米级Si颗粒,大大提升了工件的力学性能,屈服强度提高近1倍,拉伸强度提高近50%。其3D打印的镍基合金转子件性能与锻造标准相当。

本次试验的成功为发动机关键零部件的整体设计优化提供了充分的技术论证,实现了高性能关键结构件的快速制造,显著提升了航空发动机的整体机械性能。目前,华曙高科正在改装更高转速的试验平台,下一步将对航空发动机进行整体设计优化,在保证使用性能的前提性大幅减少零件数量和拼接工序,提高发动机的整体使用寿命。

5、Rocket Lab公司成功发射全球首枚搭载3D打印发动机的电池动力火箭Electron

5月底,Rocket Lab公司在新西兰成功发射了其首枚(也是全球首枚)电池动力火箭Electron。虽然遗憾的是,火箭最终没能进入预定轨道,但这依然令新西兰成为了世界第11个成功将火箭送入太空的国家。

Electron个头不大(直径1米,高不到20米),但却搭载了推力高达5000磅的Rutherford发动机(上图,所有主要部件均为3D打印,采用的技术是电子束熔融),而且大量采用了碳复合材料,比一辆宝马Mini Cooper还要轻,所以发射能力很强,能将330磅的卫星送到距地表数百公里的轨道。另外,它的发射周期很短,发射成本也很低,每次“仅为”500万美元左右,远低于当前平均值

▲Rutherford发动机的一、二级推进器

▲Rutherford发动机的结构图

因此,Electron有望实现每年高达100次的卫星发射,从而彻底改变当前全球的卫星发射市场,加速推动人类航天事业发展,而这正是它从几年前诞生以来就一直获得资本青睐的原因。事实上在2个月之前,该公司就在D轮融资中再次拿到了7500万美金的巨款。借此,他们迄今为止拿到了投资就达到了1.48亿美元,同时市值也超过了10亿美元!6、赛峰的3D打印金属涡轮喷嘴获欧洲航空安全认证,重量减轻35%

6月,知名法国航空与国防企业赛峰(Safran)的3D打印金属涡轮喷嘴获得了欧洲航空安全局(EASA)的飞行认证,而该喷嘴是Leonardo AW189型直升机辅助动力单元(APU)的核心部件之一。这就意味着Safran此后将可以把这种喷嘴用于其它型号的涡轮,同时也再次证明了3D打印的确是一种制造高应力部件的可靠技术。下面来详细了解下这个3D打印的喷嘴 — 它是eAPU60型涡轮的中央组件,通过选择性激光熔融(SLM)技术打印镍合金制成,在-75.5℃到45℃环境下均可正常使用,驱动起动器发电机和发电机组合。采用3D打印技术让它的组件数量从原先的8个减少到了现在的4个,同时重量减轻了35%,令eAPU60获得了同类涡轮中最好的推重比,可谓一举多得。

Safran透露,接下来他们会继续验证这种3D打印喷嘴在其它型号涡轮上的使用情况,一旦成功,便可能在2017年后期将其正式安装到达索系统(Dassault Systèmes,法国飞机制造商,亦是世界主要军用飞机制造商之一)的Falcon FX(上图)和庞巴迪(Bombardier,总部位于加拿大的国际性交通运输设备制造商)的环球7000(下图)两款小型喷气客机上。此外,他们还有可能将这个部件整合到自己将于2019或2020年推出的混合APU引擎中。

7、Ariane集团的Ariane 6火箭发动机的喷嘴头组件数量从248骤减至1

Ariane 6是欧洲航天局(ESA)委托空客与赛峰合资成立的Ariane集团研制的新一代运载火箭,设计目的是以更具竞争力的低成本帮助欧洲进行空间探索,最大亮点在于喷嘴头是用镍基合金(IN718,耐高温耐腐蚀)3D打印的,组件数量由原先的248个减少到了仅仅1个!这不仅增强了该组件性能,而且极大缩短了其制造时间,也降低了其成本。

据悉,这个喷嘴头是用德国EOS的3D打印机制造的,上面有多达122个喷油嘴、还集成了基板和前面板。除了实现一体化,其重量也减轻了25%,进而降低了成本。8、莫纳什大学仅用4个月完成3D打印和测试Project X火箭发动机

9月,来自澳大利亚莫纳什大学的工程师团队成功测试了他们的3D打印火箭发动机Project X。 这款发动机从设计到3D打印、再到组装和最终测试仅仅用了4个月时间。它基于aerospike设计,采用了反转传统火箭发动机的新结构。9、美国联邦航空管理局发布战略路线图,助力3D打印航空应用发展

10月,美国联邦航空管理局(FAA)首次披露了“增材制造(3D打印)战略路线图”草案,建议企业围绕现有的不同3D打印技术进行充分实践。这份路线图提供了一些关键的法律规范信息,涉及3D打印产品与工艺的认证,3D打印设备与零部件的维护,3D打印的研究与发展,以及3D打印的教育培训等多个方面,可以说相当有价值。

▲GE的新型航空发动机T901-GE-900,含多个3D打印金属零部件,已完成原型测试

迄今为止,FAA已经认证了许多3D打印的金属航空部件,其中比较抢眼的有通用电气(GE)的LEAP发动机3D打印喷油嘴,美国阿克伦大学与航空维修&工程服务公司(AMES)合作开发的3D打印维修系统等。而且,这样的认证数量正在快速增加。由此可见在航空领域,3D打印技术正在以不可阻挡之势成长,而这正是FAA制定路线图的原因。好消息是,FAA的华盛顿总部正在审核这份3D打印航空战略路线图。所以相信很快,它就能与大家见面了,而这无疑有利于促进3D打印技术在航空领域的应用发展。对此,南极熊会保持关注,一旦得到路线图便会立即提供给大家,敬请期待!10、通用电气(GE)两款新型3D打印发动机完成首测:更轻更强,油耗降低35%

10月,美国通用电气(GE)的子公司通用航空(GE Aviation)近日与美国陆军合作成功测试了他们研制的全球首台“未来经济型涡轮发动机(FATE,上图)”。这款发动机是为某些要求极其苛刻的应用设计的,安装了3D打印的涡轮机。与当前的主流发动机相比,FATE在许多方面都更加优秀,比如耐热性和载荷都更好,寿命延长了20%,燃油消耗降低了35%,生产和维护成本降低了45%,功率重量提高80%。对于这些,除了设计本身的改良,3D打印技术同样功不可没。另外,这款发动机还整合了先进的控制技术、算法和传感器套件,可有效提升飞机的性能。

同时,GE航空也成功完成了对另一款涡轮轴发动机T901-GE-900原型机(上图)的测试,旨在支持陆军的“改进涡轮发动机项目(ITEP)。这款发动机采用了耐高温材料,同时与FATE一样使用了3D打印的部件。这些部件比用传统技术制造的更轻更耐用,同时造型也更复杂。因此,T901-GE-900的重量减轻了许多,燃油效率当然也就随之提高了不少,而这就足以满足甚至超过军方对性能的要求。最终,对T901-GE-900原型机的测试持续了6个月的时间。而它表现出的性能远远超过了ITEP项目的要求。所以GE航空表示,将继续在他们位于马瑟诸塞和俄亥俄的工厂测试余下的压缩机、燃烧器和涡轮机部件。11、中航商用航空发动机有限责任公司用3D打印技术成功研制国产大型客机喷气发动机CJ-1000A

12月,工信部官网宣布:国产大型客机喷气发动机CJ-1000A研制项目通过概念设计评审。这款发动机是中航商用航空发动机有限责任公司(以下简称商发公司)研制的一款大涵道比涡扇发动机,中文名为“长江”,将于2022年正式装机国产大飞机C919,在研制中大量采用了3D打印技术。

2014年12月25日,商发公司引进了其首台3D打印设备 — 德国EOS的M280型选区激光熔融3D打印机。第二天随即用它打印出了首个调试用样件 — 发动机燃烧室喷嘴组件中的主涡流器。此部件的复杂性在于壁面含有很多Φ1.4mm的斜孔,并有镂空型结构,使用传统的精铸工艺制造需要大量的工装模具,生产周期超过一个月,但借助3D打印技术仅需16小时。12、NASA测试火箭发动机:装迄今最大3D打印金属部件,焊接点减少78%

12月,骨灰级3D打印玩家美国宇航局(NASA)近日成功完成了今年对RS-25火箭发动机的最后一次点火测试。这款发动机是NASA为其太空发射系统项目(SLS,计划于2022-2023年完成发射)准备的,由Aerojet Rocketdyne公司研制,大量采用了3D打印部件,截至目前已经完成了16个台。在这次测试中,NASA又为其安装了一个新的3D打印部件 — Pogo蓄能器。而它不负众望,经受住了长达400秒的超高温考验。

据悉,这个Pogo蓄能器是Aerojet迄今为止3D打印的最大火箭发动机部件,作用是减弱燃料燃烧引起的振动,因为这些振动可能会损坏火箭的外壳。它是采用选择性激光熔融技术(SLM)3D打印的,与采用传统工艺制造的相比焊接点减少了78%。


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