他急了！“胖五”背著“嫦娥”奔月了，NASA大力發(fā)展定向能量沉積技術(shù)

來源：3D打印研究院

11月24日4時30分，我國在中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器，正式開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。隨后，美國國家航空航天局（NASA）在其官方推特賬號上對中國航天取得的新突破進(jìn)行了點評。

譯：隨著嫦娥五號的發(fā)射升空，中國開始努力加入美國和前蘇聯(lián)獲取月面樣本的行列。我們希望中國和全球科學(xué)界分享中國探月工程所獲的數(shù)據(jù)，以增進(jìn)我們對于月球的了解，就像美國阿波羅計劃和阿爾忒彌斯計劃所做的那樣。

那么，NASA正在憋什么大招呢？

定向能量沉積技術(shù)（DED）可以產(chǎn)生大型結(jié)構(gòu)，例如這些發(fā)動機(jī)噴嘴

（圖源：NASA）

據(jù)報道，NASA計劃在2024年通過“獵戶座”宇宙飛船，將第一位女性和一位男性送入月球，并在十年內(nèi)建立可持續(xù)的探索。該宇宙飛船裝載了SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)。

NASA報告稱，他們正在尋求通過RAMPT技術(shù)項目（快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)項目）將大規(guī)模金屬增材制造納入其未來火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計和制造中。

NASA希望通過利用定向能量沉積技術(shù)（以下簡稱“DED技術(shù)”）來降低制造大型復(fù)雜發(fā)動機(jī)部件（例如噴嘴和燃燒室）的成本和縮短交貨時間。

與傳統(tǒng)焊接方法將近一年的時間相比，該噴嘴的制造時間僅為三十天，而由于技術(shù)的飛速發(fā)展，其制造完成時間比計劃的提前了一年。

“傳統(tǒng)制造噴嘴是一個具有挑戰(zhàn)性的過程，而且可能需要很長的時間，”NASA馬歇爾太空飛行中心RAMPT首席研究員Paul Gradl稱。“DED技術(shù)使我們能夠創(chuàng)建具有復(fù)雜內(nèi)部特征的超大型部件，這是以前不可能實現(xiàn)的。我們能夠顯著減少與通道冷卻噴嘴和其他關(guān)鍵火箭組件的制造相關(guān)的時間和成本�！�

SLS計劃液體發(fā)動機(jī)辦公室經(jīng)理Johnny Heflin說：“使用這種新型的增材制造技術(shù)生產(chǎn)通道壁噴嘴和其他組件將使我們能夠以所需的規(guī)模制造SLS發(fā)動機(jī)，不僅加快了進(jìn)度，而且降低了成本�！�

“DED技術(shù)的意義重大，它使我們能夠用比過去更低的價格生產(chǎn)出更復(fù)雜、更昂貴的火箭發(fā)動機(jī)零件，”為RAMPT項目提供資金的NASA的經(jīng)理Drew Hope說。NASA認(rèn)為DED技術(shù)有望在其最重視的勘探任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，所以對DED技術(shù)和材料開發(fā)方面進(jìn)行了大量的投資。


根據(jù)GB/T 35351-2017《增材制造術(shù)語》中定義，DED技術(shù)全稱“定向能量沉積技術(shù)”（directed energy deposition)利用聚焦熱能將材料同步熔化沉積的增材制造工藝。聚焦熱能是指將能量源（例如：激光、電子束、等離子束或電弧等）聚焦，融化要沉積的材料。

DED技術(shù)是讓粉末噴嘴和激光光學(xué)系統(tǒng)集成在一個打印頭中，安裝在機(jī)器人上，并按照由計算機(jī)一次構(gòu)建的一層確定模式移動。

（DED工藝示例）

據(jù)拉夫堡大學(xué)研究，DED是一種更為復(fù)雜的3D打印技術(shù)，通常用于修復(fù)或向現(xiàn)有組件添加其他材料。典型的DED設(shè)備通過安裝在多軸臂上的噴嘴將熔化的材料沉積到指定的表面上，并在該表面上固化。

該過程在原理上與材料擠壓相似，但是噴嘴可以在多個方向上移動，并且不固定在特定的軸上�？梢酝ㄟ^4軸和5軸機(jī)器從任何角度進(jìn)行沉積的材料，在沉積時都會用激光或電子束熔化。該方法可用于聚合物，陶瓷，但通常與金屬一起使用，呈粉末或金屬絲形式。

DED技術(shù)的優(yōu)勢：
比起傳統(tǒng)鍛造技術(shù)，DED技術(shù)擅長大型結(jié)構(gòu)件的制造，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一體化制造（翼身一體）、重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復(fù)（葉片、機(jī)匣的修復(fù)）等領(lǐng)域，目前，該技術(shù)已經(jīng)用于金屬零件修復(fù)以及航空航天、國防、化工領(lǐng)域的復(fù)雜大型金屬零件快速成型制造。


DED技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：
ASTM F3187-16《金屬直接能量沉積指南》
ASTM F3413−2019《增材制造 - 設(shè)計指南 -定向能量沉積》
ASTM WK69730《增材制造規(guī)范-定向能量沉積（DED）增材制造用絲材》（起草中)
ASTM WK69731《增材制造指南-定向能量沉積（DED）增材制造工藝用無損檢測（NDT）》（起草中)
ASTM WK69732《增材制造指南-電弧送絲增材制造》（起草中)
AMS7004《基板上等離子弧定向能量沉積增材制造成形Ti6Al4V鈦合金預(yù)成形體（去應(yīng)力態(tài)）》
AMS7005《等離子弧熔絲定向能量沉積增材制造工藝》
AMS7010《激光熔絲定向能量沉積增材制造工藝》
AMS4999A《退火態(tài)Ti6Al4V鈦合金直接沉積制件》
AMS7029《電弧送絲定向能量沉積(AW-DED)工藝》（起草中）
AMS7034《激光電弧混合定向能量沉積（HLA-DED）》（起草中）