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用于制造航空部件的3D打印

来源:控制工程网2022.09.19阅读 643

  1972年12月19日下午,阿波罗17号的指挥和服务舱CSM-114“美国号”,在太平洋上溅落,航天员安全返航。这次活动标志着美国国家航空航天局为期11年的登月计划的结束。在一定程度上,要感谢总部位于美国加利福尼亚州洛杉矶的Aerojet Rocketdyne公司,这是一家在航天和火箭推进方面有着光荣历史的传统制造商。
  成本减半的新计划在希腊神话中,阿波罗是奥林匹斯十二神之一,是海洋、太阳和天空的神。因此,NASA以这位神的孪生姐妹兼月球女神阿尔忒弥斯的名字,命名下一次月球探险,也就顺理成章。虽然多个阿波罗任务都取得了巨大成功,对美国太空计划的延续也至关重要,但阿尔忒弥斯的目标看起来更加雄心勃勃。
  从2022年开始,美国国家航空航天局将把无人驾驶的猎户座航天器送入月球轨道,然后进行载人着陆、建造月球基地和配套基础设施,并为最终访问火星做准备。据悉,美国宇航局及其合作伙伴将在本世纪20年代末实现这一目标,费用将是1964年阿波罗计划巅峰时的一半。
  助力如此雄心勃勃计划的技术之一是增材制造(AM),通常被称为3D打印。Aerojet Rocketdyne公司的航空航天工程师兼架构师James Horton说:“与任何复杂任务一样,价格越便宜,就越有可能确保任务的完成,登月也不例外。在实现这些目标方面,金属增材制造发挥着关键作用。”
  先进的设计和仿真软件结合
  Aerojet Rocketdyne公司在金属增材制造领域有着悠久的历史。二十多年来CONTROL ENGINEERING China版权所有,该公司投入了大量时间和资源来实践这项重要技术,并将大部分精力都集中在激光粉末床聚变(LPBF)上。正是由于这些努力,这家航空航天制造商成功地为很多项目,设计、集成了3D打印终端组件,其中包括即将把阿尔忒弥斯送入太空的大型RS-25发动机。
  自2008年以来,Horton就在NASA和国防部的火箭发动机设计、开发和试飞活动中担任领导。在Aerojet Rocketdyne公司,他的高级推进团队目前正在研究化学、电力和核推进,以支持NASA的深空探索工作,包括阿尔忒弥斯项目。
  与先进的设计和仿真软件结合使用时,金属增材制造为当今的航空航天工程师,提供了“一套他们的前辈完全无法想象的解决方案,具有无与伦比的创新能力。”正因为如此,Aerojet Rocketdyne能够以前所未有的方式降低推进成本,加快上市时间,提高产品性能。

改造后的R-4D反应控制系统,即使是第一个3D打印版本,也比其前身有了巨大的改进。图片来源:Velo3D

  最新的例子是一个关键子系统:被阿波罗工程师称之为“quad”的反应控制系统(RCS)。该系统包括四个单独的R-4D双组元推进器,最初由Marquardt公司设计,使用自燃(自点火)四氧化二氮和联氨作为推进剂。每个月球着陆器和服务舱,都有四个“quad”,每个“quad”产生超过100磅的推力,以控制航天器在飞行中的滚动、俯仰和偏航。经过一系列收购,Aerojet Rocketdyne最终获得了R4-D的所有权,打算在未来的航天器上使用这些反应控制系统。
  鉴于最初的RCS设计已有60多年的历史,Horton和他的团队意识到有改进机会,于是开始了许多内部研发项目,旨在优化阿尔忒弥斯项目和其它商业月球项目所需的系统。就RCS而言,他们寻求减少发动机零件数量、提高可靠性、简化装配和维修的方法,所有这些都将在提高航天器性能的同时降低项目成本。金属增材制造适合上述任务。
  Horton说:“在整个阿波罗计划期间,NASA生产了650多个推进器,用于支持六次登月。这是一个巨大的数字,这让我们相信控制工程网版权所有,我们正在做一件大事——如果能让RCS成本更低,就能对任何这类项目以及未来的项目产生积极影响。”
  他们还想利用火箭燃料的进步。多年来,推进工程师们已经了解到,向前述的燃料氧化剂中添加25%的一氧化氮,可以将其凝固点从-9℃降低到-55℃。这样就可减少为了防止太空中燃料管线冻结所需的加热系统的质量和功耗,这为Aerojet Rocketdyne提供了一个重大机会。但有个问题:前述的MON-25燃料不稳定,Horton认为www.cechina.cn,这种情况对火箭而言不是一件好事。
  验证概念
  金属增材制造允许团队打印特殊形状的喷射器,以实现稳定的燃烧。他们很快用镍基高温合金Inconel 718设计并制造了一个概念模型,但不幸的是,金属3D打印机遇到限制。
  Horton 说:“由于悬挂问题,我们不得不以45度的角度建造RCS喷射器主体,并添加了一系列大型支撑结构,以防止在建造过程中发生热变形。支架需要在之后进行机加工,增加了产品成本,而定向角度产生的表面质量不理想。肯定有改进的余地。”
  同时,他们意识到,存在大量轻量化和拓扑优化的空间。Horton 指出,他们在重新设计过程中消除了“大块”不必要的材料,但这还远远称不上完美。“从航天器上移除的每一磅材料,都能节省发射成本,”他说。“这就是为什么我们向nTopology寻求帮助以优化设计,然后由Velo3D为我们打印。”
  更高效的3D打印
  总部位于纽约的工程和设计软件公司nTopology的技术人员,很快就能够“剥离”喷射器主体的块状结构,在复杂的流体端口和通道周围留下一致的壁厚,同时消除应力集中区域。然后,他们用薄薄的晶格结构填充产生的空隙,增加其强度和刚度,同时只增加最小的重量;由于其“隐式建模”功能,nTopology能够将四元喷射器的重量减半。
  Aerojet Rocketdyne团队将优化后的零件文件,发送给Velo3D工厂。这家金属增材制造解决方案供应商给Horton 带来了一些好消息。由于该公司对3D打印钛技术的掌握(这种金属因其强度和重量轻而受到整个航空航天行业的青睐),RCS喷射器主体的重量将远低于基于铬镍铁合金的喷射器。正如Velo3D技术销售工程师Gene Miller所指出的那样,无需像第一次迭代那样以一定角度构建它或使用大型块状支撑。
  “我们的专有预打印软件足够直观,可以识别不同的几何特征,并将特定的激光参数应用于这些区域,以便它们尽可能高效地打印,而无需添加辅助材料。”Miller说:“此外控制工程网版权所有,我们是为数不多的能够成功打印大型复杂钛零件而不会开裂的金属AM系统供应商之一。我们有一个独特的解决方案,来减轻打印材料内部累积的内应力,并且可以比市场上的其它打印机更有效地避免开裂。”

nTopology的隐式建模功能,能够在第一次设计迭代中快速“装填”喷射器主体,提高其强度和打印适用性,同时大大减轻重量。

  最终结果如何?相比于通过传统制造方法制造的推进器,Aerojet Rocketdyne的RCS推进器,质量只有原来的1/5,大小只有1/2,成本则只有1/3。而且,由于它包含的组件少得多,因此也更容易组装,在运行过程中发生故障的可能性也小得多。Horton 说,“我们已经证明,通过增材制造和先进的软件技术,与传统的制造零件方式相比,我们的解决方案可以提高可负担性,缩短交付周期CONTROL ENGINEERING China版权所有,并大大提高系统性能。下一步,我们会验证这一概念,进入实际现场测试,并有望进行最终的鉴定。从那里开始,它将进入太空。”(Chris Vavra)

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