盤點(diǎn)：2017年金屬3D打印航空航天大事件

1、Aerojet成功點(diǎn)火測(cè)試3萬磅推力3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Bantam

又是Aerojet — 5月，該公司成功點(diǎn)火測(cè)試了其采用3D打印技術(shù)制造的液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Bantam。這款發(fā)動(dòng)機(jī)推力超過3萬磅，是該公司在3年前測(cè)試的小號(hào)Bantam發(fā)動(dòng)機(jī)的6倍，十分適合小型運(yùn)載火箭以及低成本的高端市場(chǎng)使用，

Bantam從最初設(shè)計(jì)到最終測(cè)試完成只用了短短7個(gè)月。其結(jié)構(gòu)十分精簡，僅由噴射器組件，燃燒室，以及喉部和噴嘴3大部分焊接而成。相比之下，普通的3萬磅推力級(jí)火箭零部件數(shù)量通常都會(huì)超過100。此外，其制造成本也大大低于普通的火箭，而這些全部都要?dú)w功于3D打印技術(shù)。




2、麻省理工（MIT）用尼龍3D打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)成功通過點(diǎn)火測(cè)試

4月，MIT一支學(xué)生團(tuán)隊(duì)成功對(duì)他們3D打印的一個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體進(jìn)行了點(diǎn)火測(cè)試。整個(gè)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)良好，不但噴射出了超音速尾焰（意味著產(chǎn)生了足夠大的推力），而且打印的殼體只有幾毫米受損。然而令人震驚的是，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用的材料竟不是金屬，而是最常見的一種塑料 — 尼龍！

這無疑打破了我們對(duì)于火箭的常識(shí)性認(rèn)知。不過據(jù)這支MIT團(tuán)隊(duì)透露，他們采用尼龍并不是因?yàn)闆]有其它選擇，而是因?yàn)榻?jīng)費(fèi)方面有限制。但最終，這卻幫助他們?nèi)〉昧烁�加令人興奮的成就，證明了原來用尼龍（塑料）造出的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也是可以使用的。

值得一提的是，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是使用當(dāng)今最強(qiáng)之一碳纖維3D打印機(jī)制造商Markforged的第二代機(jī)型Mark Two打印的，而這或許正是它能通過點(diǎn)火測(cè)試的最重要原因。如果你對(duì)這款機(jī)器感興趣，可以聯(lián)系南極熊，郵箱：3d@nanjixiong.com；客服qq：392908259；官方微信：3125836244。


3、美國Aerojet公司成功測(cè)試最大3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件，組件數(shù)量減少10倍

5月，Aerojet公司在俄亥俄州代頓市附近的懷特-帕特森空軍基地完成了對(duì)其RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火測(cè)試。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室部件是通過激光燒結(jié)（LS）技術(shù)用銅合金3D打印的，帶來了許多好處，主要包括：

①降低了成本（具體數(shù)字未公布）
②大幅縮短了時(shí)間 — 原先采用傳統(tǒng)技術(shù)需要數(shù)月，現(xiàn)在只需不到1個(gè)月
③大大簡化了部件的組成，將組件數(shù)量從原先的近20個(gè)減少到了只有2個(gè)

值得一提的是，除了RL10，Aerojet正在或已經(jīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)的航天應(yīng)用還有許多，比如RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（將用于未來的航天發(fā)射系統(tǒng)），AR-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（美國砸8億美元研制，目的是取代俄制RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)），以及CubeSat衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)（NASA委托）。


4、華曙高科3D打印渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子件，通過10萬轉(zhuǎn)/次臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

2017年初，中國3D打印龍頭企業(yè)之一的湖南華曙高科在國內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了3D打印技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)靜子、轉(zhuǎn)子類零件上的直接應(yīng)用性驗(yàn)證，有望突破航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)瓶頸。在臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)，用傳統(tǒng)工藝制造的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子件在低于10萬轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下破裂，而華曙高科3D打印渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)零件卻經(jīng)受住了考驗(yàn)！

華曙高科以新型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵研制為背景，針對(duì)核心零件開展3D打印技術(shù)應(yīng)用研究。其3D打印的靜子件與轉(zhuǎn)子件突破了盤軸葉片一體化主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子類零件激光選區(qū)熔化成型的控形、控性等關(guān)鍵技術(shù)，解放了傳統(tǒng)工藝對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的束縛，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜狹長內(nèi)通道轉(zhuǎn)子類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，使同類結(jié)構(gòu)零件的換熱冷卻效果提升了90%。

同時(shí)，在大于104 ℃/s冷卻速度下獲得了納米級(jí)Si顆粒，大大提升了工件的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度提高近1倍，拉伸強(qiáng)度提高近50%。其3D打印的鎳基合金轉(zhuǎn)子件性能與鍛造標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。

本次試驗(yàn)的成功為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了充分的技術(shù)論證，實(shí)現(xiàn)了高性能關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的快速制造，顯著提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體機(jī)械性能。目前，華曙高科正在改裝更高轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)平臺(tái)，下一步將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)優(yōu)化，在保證使用性能的前提性大幅減少零件數(shù)量和拼接工序，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體使用壽命。

5、Rocket Lab公司成功發(fā)射全球首枚搭載3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)的電池動(dòng)力火箭Electron

5月底，Rocket Lab公司在新西蘭成功發(fā)射了其首枚（也是全球首枚）電池動(dòng)力火箭Electron。雖然遺憾的是，火箭最終沒能進(jìn)入預(yù)定軌道，但這依然令新西蘭成為了世界第11個(gè)成功將火箭送入太空的國家。

Electron個(gè)頭不大（直徑1米，高不到20米），但卻搭載了推力高達(dá)5000磅的Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)（上圖，所有主要部件均為3D打印，采用的技術(shù)是電子束熔融），而且大量采用了碳復(fù)合材料，比一輛寶馬Mini Cooper還要輕，所以發(fā)射能力很強(qiáng)，能將330磅的衛(wèi)星送到距地表數(shù)百公里的軌道。另外，它的發(fā)射周期很短，發(fā)射成本也很低，每次“僅為”500萬美元左右，遠(yuǎn)低于當(dāng)前平均值

▲Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)的一、二級(jí)推進(jìn)器

▲Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

因此，Electron有望實(shí)現(xiàn)每年高達(dá)100次的衛(wèi)星發(fā)射，從而徹底改變當(dāng)前全球的衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)，加速推動(dòng)人類航天事業(yè)發(fā)展，而這正是它從幾年前誕生以來就一直獲得資本青睞的原因。事實(shí)上在2個(gè)月之前，該公司就在D輪融資中再次拿到了7500萬美金的巨款。借此，他們迄今為止拿到了投資就達(dá)到了1.48億美元，同時(shí)市值也超過了10億美元！


6、賽峰的3D打印金屬渦輪噴嘴獲歐洲航空安全認(rèn)證，重量減輕35%

6月，知名法國航空與國防企業(yè)賽峰（Safran）的3D打印金屬渦輪噴嘴獲得了歐洲航空安全局（EASA）的飛行認(rèn)證，而該噴嘴是Leonardo AW189型直升機(jī)輔助動(dòng)力單元（APU）的核心部件之一。這就意味著Safran此后將可以把這種噴嘴用于其它型號(hào)的渦輪，同時(shí)也再次證明了3D打印的確是一種制造高應(yīng)力部件的可靠技術(shù)。

下面來詳細(xì)了解下這個(gè)3D打印的噴嘴 — 它是eAPU60型渦輪的中央組件，通過選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)打印鎳合金制成，在-75.5℃到45℃環(huán)境下均可正常使用，驅(qū)動(dòng)起動(dòng)器發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組合。采用3D打印技術(shù)讓它的組件數(shù)量從原先的8個(gè)減少到了現(xiàn)在的4個(gè)，同時(shí)重量減輕了35%，令eAPU60獲得了同類渦輪中最好的推重比，可謂一舉多得。

Safran透露，接下來他們會(huì)繼續(xù)驗(yàn)證這種3D打印噴嘴在其它型號(hào)渦輪上的使用情況，一旦成功，便可能在2017年后期將其正式安裝到達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systèmes，法國飛機(jī)制造商，亦是世界主要軍用飛機(jī)制造商之一）的Falcon FX（上圖）和龐巴迪（Bombardier，總部位于加拿大的國際性交通運(yùn)輸設(shè)備制造商）的環(huán)球7000（下圖）兩款小型噴氣客機(jī)上。此外，他們還有可能將這個(gè)部件整合到自己將于2019或2020年推出的混合APU引擎中。

7、Ariane集團(tuán)的Ariane 6火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴頭組件數(shù)量從248驟減至1

Ariane 6是歐洲航天局（ESA）委托空客與賽峰合資成立的Ariane集團(tuán)研制的新一代運(yùn)載火箭，設(shè)計(jì)目的是以更具競爭力的低成本幫助歐洲進(jìn)行空間探索，最大亮點(diǎn)在于噴嘴頭是用鎳基合金（IN718，耐高溫耐腐蝕）3D打印的，組件數(shù)量由原先的248個(gè)減少到了僅僅1個(gè)！這不僅增強(qiáng)了該組件性能，而且極大縮短了其制造時(shí)間，也降低了其成本。

據(jù)悉，這個(gè)噴嘴頭是用德國EOS的3D打印機(jī)制造的，上面有多達(dá)122個(gè)噴油嘴、還集成了基板和前面板。除了實(shí)現(xiàn)一體化，其重量也減輕了25%，進(jìn)而降低了成本。


8、莫納什大學(xué)僅用4個(gè)月完成3D打印和測(cè)試Project X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

9月，來自澳大利亞莫納什大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)成功測(cè)試了他們的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Project X。 這款發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)到3D打印、再到組裝和最終測(cè)試僅僅用了4個(gè)月時(shí)間。它基于aerospike設(shè)計(jì)，采用了反轉(zhuǎn)傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新結(jié)構(gòu)。


9、美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)布戰(zhàn)略路線圖，助力3D打印航空應(yīng)用發(fā)展

10月，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）首次披露了“增材制造（3D打�。�戰(zhàn)略路線圖”草案，建議企業(yè)圍繞現(xiàn)有的不同3D打印技術(shù)進(jìn)行充分實(shí)踐。這份路線圖提供了一些關(guān)鍵的法律規(guī)范信息，涉及3D打印產(chǎn)品與工藝的認(rèn)證，3D打印設(shè)備與零部件的維護(hù)，3D打印的研究與發(fā)展，以及3D打印的教育培訓(xùn)等多個(gè)方面，可以說相當(dāng)有價(jià)值。

▲GE的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)T901-GE-900，含多個(gè)3D打印金屬零部件，已完成原型測(cè)試

迄今為止，F(xiàn)AA已經(jīng)認(rèn)證了許多3D打印的金屬航空部件，其中比較搶眼的有通用電氣（GE）的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印噴油嘴，美國阿克倫大學(xué)與航空維修&工程服務(wù)公司（AMES）合作開發(fā)的3D打印維修系統(tǒng)等。而且，這樣的認(rèn)證數(shù)量正在快速增加。由此可見在航空領(lǐng)域，3D打印技術(shù)正在以不可阻擋之勢(shì)成長，而這正是FAA制定路線圖的原因。

好消息是，F(xiàn)AA的華盛頓總部正在審核這份3D打印航空戰(zhàn)略路線圖。所以相信很快，它就能與大家見面了，而這無疑有利于促進(jìn)3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。對(duì)此，南極熊會(huì)保持關(guān)注，一旦得到路線圖便會(huì)立即提供給大家，敬請(qǐng)期待！


10、通用電氣（GE）兩款新型3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)完成首測(cè)：更輕更強(qiáng)，油耗降低35%

10月，美國通用電氣（GE）的子公司通用航空（GE Aviation）近日與美國陸軍合作成功測(cè)試了他們研制的全球首臺(tái)“未來經(jīng)濟(jì)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（FATE，上圖）”。這款發(fā)動(dòng)機(jī)是為某些要求極其苛刻的應(yīng)用設(shè)計(jì)的，安裝了3D打印的渦輪機(jī)。

與當(dāng)前的主流發(fā)動(dòng)機(jī)相比，F(xiàn)ATE在許多方面都更加優(yōu)秀，比如耐熱性和載荷都更好，壽命延長了20％，燃油消耗降低了35％，生產(chǎn)和維護(hù)成本降低了45%，功率重量提高80％。對(duì)于這些，除了設(shè)計(jì)本身的改良，3D打印技術(shù)同樣功不可沒。另外，這款發(fā)動(dòng)機(jī)還整合了先進(jìn)的控制技術(shù)、算法和傳感器套件，可有效提升飛機(jī)的性能。

同時(shí)，GE航空也成功完成了對(duì)另一款渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)T901-GE-900原型機(jī)（上圖）的測(cè)試，旨在支持陸軍的“改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目（ITEP）。這款發(fā)動(dòng)機(jī)采用了耐高溫材料，同時(shí)與FATE一樣使用了3D打印的部件。這些部件比用傳統(tǒng)技術(shù)制造的更輕更耐用，同時(shí)造型也更復(fù)雜。因此，T901-GE-900的重量減輕了許多，燃油效率當(dāng)然也就隨之提高了不少，而這就足以滿足甚至超過軍方對(duì)性能的要求。

最終，對(duì)T901-GE-900原型機(jī)的測(cè)試持續(xù)了6個(gè)月的時(shí)間。而它表現(xiàn)出的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了ITEP項(xiàng)目的要求。所以GE航空表示，將繼續(xù)在他們位于馬瑟諸塞和俄亥俄的工廠測(cè)試余下的壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪機(jī)部件。


11、中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司用3D打印技術(shù)成功研制國產(chǎn)大型客機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)CJ-1000A

12月，工信部官網(wǎng)宣布：國產(chǎn)大型客機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)CJ-1000A研制項(xiàng)目通過概念設(shè)計(jì)評(píng)審。這款發(fā)動(dòng)機(jī)是中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司（以下簡稱商發(fā)公司）研制的一款大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，中文名為“長江”，將于2022年正式裝機(jī)國產(chǎn)大飛機(jī)C919，在研制中大量采用了3D打印技術(shù)。

2014年12月25日，商發(fā)公司引進(jìn)了其首臺(tái)3D打印設(shè)備 — 德國EOS的M280型選區(qū)激光熔融3D打印機(jī)。第二天隨即用它打印出了首個(gè)調(diào)試用樣件 — 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噴嘴組件中的主渦流器。此部件的復(fù)雜性在于壁面含有很多Φ1.4mm的斜孔，并有鏤空型結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)的精鑄工藝制造需要大量的工裝模具，生產(chǎn)周期超過一個(gè)月，但借助3D打印技術(shù)僅需16小時(shí)。


12、NASA測(cè)試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：裝迄今最大3D打印金屬部件，焊接點(diǎn)減少78%

12月，骨灰級(jí)3D打印玩家美國宇航局（NASA）近日成功完成了今年對(duì)RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最后一次點(diǎn)火測(cè)試。這款發(fā)動(dòng)機(jī)是NASA為其太空發(fā)射系統(tǒng)項(xiàng)目（SLS，計(jì)劃于2022-2023年完成發(fā)射）準(zhǔn)備的，由Aerojet Rocketdyne公司研制，大量采用了3D打印部件，截至目前已經(jīng)完成了16個(gè)臺(tái)。在這次測(cè)試中，NASA又為其安裝了一個(gè)新的3D打印部件 — Pogo蓄能器。而它不負(fù)眾望，經(jīng)受住了長達(dá)400秒的超高溫考驗(yàn)。

據(jù)悉，這個(gè)Pogo蓄能器是Aerojet迄今為止3D打印的最大火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件，作用是減弱燃料燃燒引起的振動(dòng)，因?yàn)檫@些振動(dòng)可能會(huì)損壞火箭的外殼。它是采用選擇性激光熔融技術(shù)（SLM）3D打印的，與采用傳統(tǒng)工藝制造的相比焊接點(diǎn)減少了78％。

最后來看完整視頻，相當(dāng)震撼：