首个！美国空军实验室开发3D打印单块火箭发动机推力室

| 3DScienceValley · 2024/04/26

近年来，美国军方一直是增材制造最热衷的采用者之一。就在近日，总部位于美国加利福尼亚州长滩的Relativity Space 还与美国空军研究实验室 (AFRL) 签订了一份价值 870 万美元的合同，以探索增材制造中的实时缺陷检测。

从海军的潜艇部件到陆军的3D打印营房和车辆外壳，不乏美国武装部队因速度和灵活性而转向3D打印的例子。现在，美国空军研究实验室 (AFRL) 最近宣布，已经设计、打印并热测试了首个使用激光粉末定向能量沉积3D打印制造的单块火箭发动机推力室。

▲ 点火测试
© AFRL

当传统制造技术无法满足要求时，3D打印技术为其开辟了一条全新的道路。3D打印技术以其能够快速制备具有高材料性能、异形结构、整体特性的零部件特点，在高超声速飞行器及火箭等相关领域得到了愈发广泛的应用。

3D科学谷

嵌入强大的数字环境中

对于AFRL的项目，专家们应用激光粉末定向能量沉积(DED) 3D打印技术来构建腔室，近年来，火箭发动机是增材制造技术快速采用的领域。NASA尤其一直在引领这一潮流，例如，2023年，NASA马歇尔太空飞行中心还进行了3D打印喷管的热火测试，该喷管由新型铝合金 6061-RAM2 制成，可承受巨大的温度梯度。这种喷管比传统喷管更轻，为可携带更多有效载荷的深空飞行奠定了基础。Ursa Major 和 Relativity Space 等私营公司也取得了巨大进步。

为了3D打印火箭发动机，AFRL的火箭推进部门一直在与美国航天工业的其他参与者合作。AFRL的想法是将先进的增材制造工艺嵌入到强大的数字工程环境中，不仅显示了3D打印技术在火箭制造方面日益重要的重要性，还将进一步推动该技术走向成熟发展。

DED粉末能量沉积增材制造技术的采用也并非偶然，该技术可以为火箭推进器制造迄今为止最大的构建箱体积，能够打印七英尺（约210厘米）高的零件，这比激光粉末床熔融（LPBF）增材制造工艺等技术可以制造的体积大得多。此外，DED粉末能量沉积增材制造技术还可以减少粉末投资并减少材料浪费。工程师还可以实时实现多合金结构的合金混合，以利用下一代超级合金的强度、重量和性能优势。

▲ 国防领域的增材制造
© 3D科学谷白皮书

DED粉末能量沉积增材制造技术这些独特的功能能够处理复杂的发动机设计，需要更少的迭代，并充分发挥3D打印可以进行产品的形状优化优势，采用更轻质的材料例如先进的金属合金和复合材料进行快速制造。

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。

3D科学谷

DED粉末能量沉积增材制造技术又可以与工业4.0 中常见的其他技术相结合，包括人工智能、机器学习、数字孪生、3D扫描和CAD计算机辅助设计。这些不同技术的集成将有助于火箭发动机硬件从传统制造方法向自动化制造工艺的转变。

事实上，AFRL正在确认通过管理3D打印的数字环境对于管理零件生产质量的保证。其中包括轻质推力室、歧管、喷油器、压力容器、阀门和涡轮机械叶片，这些部件采用增材制造技术制造，可实现传统工艺不易实现的形状和复杂内部特征。

DED走向成熟

根据3D科学谷的市场观察，进入上升发展期的DED粉末能量沉积增材制造技术呼唤材料开发、实时质量控制以及检测认证标准的配合。

国际上，亚琛工业大学正在推动一种灵活的材料设计方法，其特点是计算机辅助和物理合金筛选的结合。研究人员使用最先进的增材制造技术，例如激光粉末床熔融和（高速）激光金属沉积。通过遵循复杂的集成计算工程（ICME）方法集成多尺度材料模拟和实验，可以对新型合金有更深入的基础了解，研究活动中还探索了进一步的机器学习方法。

此外，针对DED技术本身的加工精度，火箭推进器喷管的薄壁结构需要具有特定光束质量的激光源，以产生直径极小的光束。Fraunhofer ILT激光研究所在这一领域特别强大，因为研究所内部拥有各种激光源和光学配置，可以根据具体应用进行调整。

而在高通量方面，亚琛推出了新的高速 DED-LB 激光能量沉积工艺，称为极高速激光应用（进一步称为 HS-DED，以区别于传统 DED-LB，由亚琛工业大学和德国 Fraunhofer ILT 弗劳恩霍夫激光技术研究所开发)，HS-DED也是一种DED工艺，与DED-LB相比，粉末的熔化独立于熔池，允许高达 200 m/min的高加工速度，并且粉末的混合独立于熔池动力学和偏析过程。预期的优点是过程中元素粉末的均匀混合以及高通量样品生产的可能性。

可以见得，在国际顶级科研机构的推动下，DED粉末能量沉积增材制造技术将突破自身发展瓶颈，获得更多可适用的加工材料、更高的加工精度、更高的加工效率成为一种发展趋势。而这一发展趋势的确立使得DED粉末能量沉积增材制造技术获得更广的发展空间。

国内方面，西安增材制造国家研究院有限公司主持的国家标准GB/T 43614-2023《增材制造金属粉末定向能量沉积设备激光熔覆头测试方法》于2023年12月28日正式发布，并且立即实施。此外，国内的科研机构也展开了各方面的研究工作。(延伸阅读：中国航发等 l DED定向能量沉积增材制造钛合金工艺近期研究）