悬垂角为0且无需任何支撑结构的火箭燃料箱增材制造应用

| 3DScienceValley · 2024/03/03

多年来，粉末床激光选区熔融 (L-PBF) 金属增材制造已从关键应用的原型设计发展到批量生产，并不断面临生产更复杂的几何形状、满足更高的质量要求及产量需求的挑战。为应对这些挑战，业界不仅需要创新的机器硬件，而且需要改进曝光策略并引入新的软件功能。

在过去，工艺监测主要用于识别成型过程中的中断问题，然后将其与零部件特性相关联。这些数据还可用于改进工艺参数或零部件方向，以便进行零部件成型的下一次迭代。

如今，工业级增材制造设备企业EOS的成型控制软件—Smart Fusion闭环智能熔融技术将工艺监测提升到了全新水平。该软件使用来自 EOSTATE Exposure 光学断层扫描 (OT) 监控系统的图像来确定最佳能量输入，从而管理零部件的热特性。

悬垂角为0且无需任何支撑结构的
航空航天燃料箱

I Launcher零部件的一般信息及挑战

EOS Smart Fusion 闭环智能熔融技术实现工艺改进的典型案例之一是在 EOS M 300-4 金属增材制造系统中用Ti6Al4V钛合金生产Launcher火箭燃料箱。

该燃料箱是航天器推进系统的关键组件，用于储存推动航天器进入太空的燃料。为进入太空，需要使用八个燃料箱为轨道卫星运载工具和平台提供燃料。图1显示了通过EOS 技术增材制造的燃料箱模型以及连接在 EOS M 300-4 成型基板上的成型零部件。

▲图1：Launcher燃料箱：增材制造模型、 3D打印零部件和带有切割盖的成品零部件

该零部件的成型主要面临两个挑战：

1. 燃料箱盖具有10°- 0° 的悬垂角度，以及需要尽可能少地使用支撑结构来生产该零部件。必须在满足所有功能要求的同时解决这两个挑战。该燃料箱的直径为290mm，高度为400mm ，需要利用 EOS M 300-4 增材制造系统的全部成型空间。

2. 其壁厚小于3mm，在变形和几何精度方面十分具有挑战性。

图2 显示了该燃料箱的内部截面-无支撑结构的悬垂部分以黄色（ 10 度）和红色（0 度）高亮显示。

▲ 图2：Launcher 燃料箱的横截面视图 – 查看盖子的内部。黄色表示燃料箱的 10 度悬垂部分，红色表示燃料箱的 0 度闭合部分

I 成型工艺

EOS 的Smart Fusion闭环智能熔融工艺改进了热管理，可在不产生人为延迟的情况下生产燃料箱，并且可以构建无支撑的10°-0 °悬垂部分，而标准工艺只能构建30至40度的悬垂部分且在照射期间会产生额外的处理延迟。该燃料箱的支撑结构只是为了将其固定在基板上。
测试结果显示，其表面光洁度均匀，没有开放的表面孔隙且几何形状稳定，如图3所示。

▲ 图：燃料箱的内壁表面和横截面

大型叶轮的生产

使用 L-PBF 增材制造技术制造叶轮面临一些挑战：
→ 复杂设计的制造可行性
→ 表面光洁度
→ 包括后处理在内的单件成本

I 零部件设计

该零部件采用特殊的实体支撑成型，以确保其具有抗变形稳定性，该零部件的重量为28kg，角度为 62.5°。只有角度小于5度的小区域才使用最小支撑线进行支撑。80μm IN625 工艺与EOS的Smart Fusion闭环智能熔融工艺配合使用。整个成型过程耗时70小时，铺粉较厚，是最具挑战性的铺粉装置，旨在防止任何变形。

▲ 图4：叶轮在 M 400-4上成型。该大型零部件的直径约为 390 mm

▲ 图5：该零部件不同位置的横截面（未蚀刻）a) 全局，b) 上表皮，c) 下表皮 d) 芯部（来源：KSB）

Smart Fusion 闭环智能熔融是全新的增材制造解决方案，可解决工程师和业界所面临的多种挑战。借助该技术，工程师能够构建难以成型的几何形状、减少浪费并提高成品质量。这项新技术将在未来得到进一步发展、为行业带来更大便利，并使工程师能够创造出更加创新和复杂的设计。

→ 构建难以成型的几何形状

借助Smart Fusion，工程师能够设计和制造具有复杂几何设计的零部件，例如极端的悬垂结构、极薄的内壁或圆顶结构，从而开辟全新的应用领域。

→ 对成型时间没有负面影响

与其他解决方案不同，Smart Fusion不会影响成型时间。Smart Fusion 不会产生额外的等待或冷却时间。

→ 提高机器利用率

Smart Fusion 减少了对支撑结构的需求，从而提高了机器利用率，可以更高效地利用资源并降低生产成本。

→ 减少浪费

通过减少对支撑结构的需求，Smart Fusion 还减少了制造过程中产生的废物量，既环保又具有成本效益。

→ 灵活设计

借助 Smart Fusion，工程师可以更加灵活地进行设计。这意味着可以针对更多应用开展生产制造并实现积极的业务案例，同时可以在不改变设计的情况下使更多传统应用变得更加可行。

→ 缩短产品上市时间

Smart Fusion 包含自动化功能，可帮助工程师更快地找到正确的参数，从而缩短新产品的上市时间，这对于需要保持竞争力的企业而言至关重要。

→ 降低单件成本

(CPP) 使增材制造对于供应链整合更具吸引力。该技术因此将在制造业中得到更广泛的采用和更广泛的使用。