無需保護(hù)氣的金屬3D打印，IMPACT和AEL引領(lǐng)開發(fā)出冷噴3D打印燃燒室

導(dǎo)讀：2021年9月17日，南極熊獲悉，總部位于德國的工業(yè)冷噴增材制造（CSAM）系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者Impact Innovations與英國的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)商AirborneEngineering（AEL）展開合作，驗(yàn)證了通過CSAM技術(shù)制造推進(jìn)系統(tǒng)部件的思路。

雙方合作設(shè)計(jì)了一個(gè)燃燒室演示模型，以測試3D打印的進(jìn)氣歧管（發(fā)動(dòng)機(jī)向氣缸供應(yīng)燃料的部分），并展示了CSAM工藝對比其他增材制造技術(shù)的優(yōu)勢。

△通過CSAM制造的燃燒室進(jìn)氣歧管的演示樣品。圖片來自Impact Innovations

冷噴3D打印

CSAM是一種材料沉積工藝，涉及使用超音速氣體噴射加速固體粉末顆粒。顆粒以四倍于音速的速度通過噴嘴發(fā)射到基材上，從而使它們表現(xiàn)得像液體，并冷卻，與基材形成原子級(jí)冶金結(jié)合。

這項(xiàng)工藝與基于激光、電子束和線弧的3D打印工藝不同，因?yàn)樗�不需要高溫。因此，這意味著在打印過程中不需要保護(hù)氣氛，消除了熱殘余應(yīng)力對打印部件的影響。

△冷噴3D打印工藝（CSAM）

去年12月，ImpactInnovations特別針對鈦合金Ti-6Al-4V開發(fā)了一種新的CSAM工藝，它使用氮?dú)庾鳛橥七M(jìn)劑。在之前的測試中，由于其高臨界速度最終會(huì)導(dǎo)致打印部件的高孔隙率。因此，通過冷噴沉積技術(shù)打印這種合金很具有挑戰(zhàn)性，然而該公司的最新方法使Ti-6Al-4V部件的孔隙率水平降到了0.2%以下。

Impact Innovations并不是唯一一家開發(fā)CSAM技術(shù)的公司，通用電氣和SPEE3D等公司已經(jīng)開發(fā)了該工藝的其他變體，用于修復(fù)其GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪箱，SPEE3D公司以其LightSPEE3D三維打印機(jī)的形式將其冷噴技術(shù)商業(yè)化。此后，SPEE3D公司的技術(shù)被澳大利亞陸軍用于各種實(shí)地測試，也被用于制造低成本的金屬3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

在過去的幾年里，冷噴3D打印工藝也被探索用于制造電動(dòng)馬達(dá)的高性能磁鐵，并且已經(jīng)有多項(xiàng)舉措來推進(jìn)CSAM的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，該技術(shù)的應(yīng)用材料范圍也得到了不斷開發(fā)。

△目前正在Impact Innovation的工廠里通過CSAM工藝進(jìn)行制造全尺寸的燃燒室。圖片來自Impact Innovations

CSAM應(yīng)用于燃燒室制造

近年來，人們越來越關(guān)注開發(fā)用于生產(chǎn)商業(yè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的快速和低成本的增材制造工藝。特別是粉末床熔融（PBF）技術(shù)，由于其設(shè)計(jì)自由度和在市場上的普遍性，有關(guān)它的研究及應(yīng)用案例也一直層出不窮。

然而，正如Impact Innovations所指出的，PBF三維打印在燃燒室制造方面確實(shí)面臨著挑戰(zhàn)，即有限的構(gòu)建包絡(luò)和金屬及合金的加工，此外還有高的表面粗糙度，特別是在冷卻通道內(nèi)壁，這會(huì)降低部件內(nèi)的冷卻效率。

Impact Innovations正在尋求用其CSAM技術(shù)來解決這些限制，并求助于AEL來驗(yàn)證制造燃燒室部件的工藝。在Impact Innovations的指導(dǎo)下，AEL設(shè)計(jì)了一個(gè)燃燒室演示器，適用于測試CSAM打印的進(jìn)氣歧管，該歧管由高強(qiáng)度銅合金制成的再生冷卻襯墊和英科耐爾外護(hù)套組成。

這兩家合作伙伴通過CSAM制造了一個(gè)進(jìn)氣歧管部件的演示樣品，他們聲稱這證明了該工藝完全適用于制造燃燒室，與其他3D打印技術(shù)相比有明顯的優(yōu)勢。

△進(jìn)氣歧管在室溫和高溫（427°C）下熱處理后的機(jī)械性能，即沉積狀態(tài)。圖片來自Impact Innovations公司

CSAM相對于其他AM技術(shù)的優(yōu)勢

據(jù)Impact Innovations和AEL稱，與其他增材制造技術(shù)相比，CSAM工藝的一個(gè)顯著優(yōu)勢是在打印過程中不需要保護(hù)氣氛。CSAM還提供了一種簡單的異種材料和合金的連接技術(shù)，額外的部件能夠在沒有焊接的情況下進(jìn)行連接。

該工藝還為零件提供了可忽略不計(jì)的熱應(yīng)力，同時(shí)解決了零件冷卻通道的表面粗糙度問題。此外，粉末只需要用于沉積材料，與需要填充整個(gè)構(gòu)建體積的PBF工藝相比，這點(diǎn)就顯得彌足珍貴了。

制造內(nèi)燃機(jī)歧管冷卻通道的演示樣品是為了確定該部件的銅合金和英科鎳合金的機(jī)械性能。CSAM工藝對銅合金的沉積速度為每小時(shí)10公斤，對鉻鎳鐵合金的沉積速度為每小時(shí)6.7公斤，據(jù)說這比相對的PBF 3D打印工藝快20多倍。

在Impact Innovation的噴射實(shí)驗(yàn)室，他們公司的噴射車床可以制造直徑達(dá)1.5米、長度達(dá)2米、最大重量達(dá)1500公斤的部件。一個(gè)全尺寸的燃燒室目前正在該公司的設(shè)施中通過CSAM工藝制造，并將很快在AEL的現(xiàn)場進(jìn)行防火測試，至于后期測試結(jié)果，我們拭目以待。