NASA 3D打印大约2吨重的火箭喷管,大胆进入增材制造技术空白领域
NASA 3D打印大约2吨重的火箭喷管,大胆进入增材制造技术空白领域
来源:[3D科学谷] 发布时间:2021-08-25 21:40 浏览:

据悉,RAMPT项目(快速分析和制造推进技术)由NASA的太空技术任务局(STMD)旗下的改变游戏规则(GCD)计划资助。这是基于NASA马歇尔太空飞行中心(MSFC),格伦研究中心(GRC),兰利研究中心(LaRC)和艾姆斯研究中心(ARC)的共同努力。

增材制造(AM)为具有复杂内部特征的精密部件(例如以前不可能通过传统工艺加工出来的带复杂冷却流道的液体火箭发动机推力室)带来了重大的设计和制造机会。据了解,最近通过跟DM3D和奥本大学的合作,NASA 3D打印了大约2吨重的火箭喷管。

▲ 来源:奥本大学

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281厘米高的火箭喷管

DM3D是总部位于密歇根州的定向能量沉积 (DED) 技术领域的企业,与奥本大学的国家增材制造卓越中心 (NCAME) 合作开展其与 NASA 的增材制造 (AM) 研发项目,以提高液体火箭发动机性能。

奥本大学和 NASA处于增材制造研究的最前沿,大约在四年前开始与DM3D合作,当时打印一个大约两英尺大小的喷管,当时看起来很大。现在在RAMPT项目的支持下,正在打印的喷管高度是之前的五倍,这是有史以来最大的 3D 打印火箭发动机部件之一。

大约 2 吨的增材制造全尺寸 RS25 喷管衬里的确切尺寸为 111 英寸高(281厘米高)和 96 英寸直径(243厘米直径)。庞大的零件是在几个月的时间里制造出来的——与传统的制造技术相比,加工时间减少了 50% 以上。

根据DM3D,DM3D的使命是挑战不可能,其3D打印系统的同轴喷嘴带有局部氩气屏蔽,可以保护此类材料的熔池。可以精确地在零件上的选定位置添加各种材料,从而可以制造具有功能特性的多材料组件。

DM3D专有的直接金属沉积(DMD)技术是一种DED直接能量沉积技术类型的工艺,DM3D能够在一次构建中处理具有多种材料的中型到大型零件,据称具有高速的制造速度。

DED定向能量沉积3D打印技术通过同轴送粉或多喷嘴沉积头,将粉末与惰性载气一起注入到零件的熔池中。熔池是由中央激光能量源产生的,通过惰性气体的保护以最大程度地减少加工过程中金属的氧化。

据了解,NASA 已经建立了类似于与DM3D这样的公私合作伙伴关系,通过增材制造技术推进新方法、探索新工艺、开发新材料和新组件。目标是提高技术准备水平,以便融入未来的 NASA 任务和商业太空应用。

NASA与行业合作伙伴共同开发了薄壁通道的设计。在图中可以看到DED定向能量沉积3D打印技术加工的一些通道示例。这些通道演示了可能的设计选项,各种加工路径策略以及确定的过程几何形状限制。


▲ 来源:NASA

据研究,RAMPT项目集成了几种先进的制造技术,以实现完整的集成推力室组件。总体概念以GRCop铜合金燃烧室为核心,并通过基于粉末床的选区激光熔化(L-PBF)金属3D打印技术制造的整体通道。然后使用DED技术来沉积歧管焊接区,以便可以将前歧管焊接到腔室上。经过此操作和热处理后,使用碳纤维聚合物基复合材料(PMC)的外包装材料对大型推力室TCA进行外包装。

DED定向能量沉积增材制造技术,允许整个推力室总成(TCA)在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道,从而无需进行封闭操作,这样的好处是明显的,不仅可以显着减少零件和焊接操作,并使得整个推力室总成(TCA)更加可多次利用。通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料,形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管,并实现连续冷却,从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题,随后通过碳纤维聚合物基复合材料(PMC)外包装将整个推力室总成(TCA)进行外包装。

DED定向能量沉积增材制造技术还具备多材料开发的想象和探索空间,据市场研究尽管复合材料外包装作为腔室护套表现良好,同时RAMPT项目仍继续关注增材制造双金属材料的开发,因为仍需要对焊接火箭推力室的喷管进行材料过渡。而双金属材料则使得火箭推力室的喷管具有优化材料的选择,理想情况下火箭推力室的喷管由非铜合金制成,例如高温合金或不锈钢材料。双金属增材制造材料可以帮助应对推力室总成(TCA)中的所有结构和动态载荷的复杂挑战和要求。


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