尼康SLM Solutions為NASA GRCOP-42銅合金開發(fā)新材料參數(shù)

2023年12月12日，南極熊獲悉，金屬 3D 打印機(jī)制造商N(yùn)ikon SLM Solutions為NASA的GRCop-42 銅合金創(chuàng)建了新的材料參數(shù)。這些參數(shù)的開發(fā)是為了滿足航天工業(yè)對(duì)GRCop-42 不斷增長(zhǎng)的需求。SLM Solutions希望這種現(xiàn)成的解決方案能夠緩解粉末供應(yīng)挑戰(zhàn)，并允許服務(wù)提供商在尼康SLM 3D打印機(jī)上成功3D打印空間組件。

材料參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了可擴(kuò)展性，并針對(duì)NXG XII 600等大幅面 3D 打印機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。據(jù)報(bào)道，新參數(shù)還可以實(shí)現(xiàn) 99.97% 的密度，以及 3D 打印機(jī)構(gòu)建區(qū)域的單激光和多激光重疊區(qū)域的穩(wěn)定特性。

該公司在最近發(fā)布的案例研究中表示：“開發(fā)工作體現(xiàn)了尼康 SLM Solutions 為 GRCop-42 提供解決方案的承諾，為航天工業(yè)更廣泛的采用鋪平了道路。尼康 SLM 解決方案可以縮短供應(yīng)鏈時(shí)間表并改善未來(lái)太空項(xiàng)目的前景。這些結(jié)果與 SLM 的開放式架構(gòu)相結(jié)合，可以將參數(shù)設(shè)置擴(kuò)展到更大的平臺(tái)，例如構(gòu)建高度為 1.5 米的 NXG XII 600 和 NXG XII 600E�！�

△SLMSolutions NXG XII 600 3D 打印機(jī)。 圖片來(lái)自SLM Solutions

NASA 的 GRCop-42 材料

GRCop-42 銅合金材料是由阿拉巴馬州NASA 馬歇爾太空飛行中心(MSFC) 和俄亥俄州NASA 格倫研究中心(GRC)的團(tuán)隊(duì)于2019 年開發(fā)的。

這種銅鉻鈮材料是 NASA 更廣泛的GRCop 合金系列的一部分，具有高導(dǎo)熱性和高強(qiáng)度。該合金旨在實(shí)現(xiàn)快速散熱，并針對(duì)需要熱穩(wěn)定性和抗蠕變性的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造商PANGEA Aerospace和增材制造工程公司AENIUM此前曾合作使用 GRCop-42開發(fā)3D 打印推進(jìn)系統(tǒng)并將其工業(yè)化。兩家公司致力于利用銅合金材料的特性來(lái)制造功能齊全、經(jīng)濟(jì)可行且省時(shí)的 PANGEA Aerospike 發(fā)動(dòng)機(jī)。

尼康 SLM 并不是第一家為GRCop-42 開發(fā)專有 3D 打印工藝的公司。2021年，航空航天增材制造服務(wù)提供商Sintavia為NASA開發(fā)的銅合金開發(fā)了自己的3D打印參數(shù)和熱處理后處理步驟。

Sintavia 的 GRCop-423D 打印參數(shù)集是在慕尼黑 3D 打印機(jī)制造商EOS的M400-4 3D 打印機(jī)上開發(fā)的。據(jù)報(bào)道，這些參數(shù)可以產(chǎn)生密度至少為 99.94% 的部件，并且可以提供 28.3 ksi 的最小拉伸強(qiáng)度、52.7 ksi 的最小極限屈服強(qiáng)度和 32.4% 的最小伸長(zhǎng)率。

△使用EOS M400-4 3D 打印機(jī) 3D 打印銅零件。 照片來(lái)自 Sintavia。

優(yōu)化 GRCop-42 以滿足不斷增長(zhǎng)的需求  

在材料參數(shù)開發(fā)過程中，GRCop-42粉末的供應(yīng)由尼康SLM Solutions的全球生產(chǎn)合作伙伴保證。這里規(guī)定了粉末質(zhì)量，并對(duì)每批產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行內(nèi)部篩選。

該公司在最初的開發(fā)過程中使用了兩臺(tái)SLM 280 2.0 700W 3D 打印機(jī)。據(jù)稱，這些新參數(shù)可提供與市場(chǎng)上其他激光粉末床熔融 (L-PBF) 3D 打印機(jī)相當(dāng)或更好的結(jié)果。

在 3D 打印參數(shù)的開發(fā)過程中，從小零件到大型組件的可擴(kuò)展性通常會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，尼康 SLM 研究了激光填充參數(shù)、邊界輪廓以及蒙皮上下參數(shù)，以獲得最佳表面粗糙度。

然后選擇最佳參數(shù)并通過高曝光區(qū)域構(gòu)建進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估整個(gè)構(gòu)建平臺(tái)的穩(wěn)健性。然后，尼康SLM 團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)參數(shù)發(fā)布候選版本，并使用不同的方法對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，然后進(jìn)行了一系列資格認(rèn)證工作。進(jìn)行這些3D 打印作業(yè)是為了收集整個(gè) 3D 打印平臺(tái)和多個(gè)構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)機(jī)械屬性數(shù)據(jù)。

△SLM280 2.0 3D 打印機(jī)。照片來(lái)自 SLM Solutions

參數(shù)發(fā)布候選代表了高曝光3D打印預(yù)期機(jī)械性能的真實(shí)視圖。這些特性包括立式機(jī)加工零件的 290 MPa 屈服強(qiáng)度、535 MPa 極限拉伸強(qiáng)度和 22% 斷裂后伸長(zhǎng)率。臥式機(jī)加工零件的屈服強(qiáng)度為 340 MPa，極限拉伸強(qiáng)度為 545 MPa，斷裂后伸長(zhǎng)率為 21%。該公司聲稱，薄壁和厚壁的大型部件，以及經(jīng)過熱等靜壓 (HIP) 處理的部件，可能會(huì)大大超過這些值。

據(jù)說(shuō)縮放因子和光束補(bǔ)償值的調(diào)整是參數(shù)開發(fā)過程的關(guān)鍵部分。Nikon SLMSolutions 表示，這些參數(shù)是高精度 3D 打印零件的關(guān)鍵。

該公司聲稱其參數(shù)開發(fā)方法包括對(duì)縮放和光束補(bǔ)償進(jìn)行必要的調(diào)整。據(jù)報(bào)道，這些都在零件上進(jìn)行了驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化，包括不同尺寸和幾何形狀的測(cè)試工件。   

展望未來(lái)，尼康SLM Solutions將致力于評(píng)估HIP后處理對(duì)機(jī)械性能的影響、后處理參數(shù)對(duì)NXG XII 600的可擴(kuò)展性以及大型零件的參數(shù)優(yōu)化。  

△構(gòu)建作業(yè)來(lái)測(cè)試發(fā)布候選參數(shù)，包括水平/垂直拉伸桿。 照片來(lái)自尼康 SLM Solutions

3D 打印太空組件

采用金屬增材制造來(lái)生產(chǎn)太空零件的情況無(wú)疑正在增長(zhǎng)。今年早些時(shí)候，NASA 宣布成功 3D 打印并測(cè)試了一種新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，作為其RAMFIRE 項(xiàng)目的一部分。

NASA 工程師與材料開發(fā)商Elementum3D合作開發(fā)了新型 RAMFIRE 噴嘴。兩個(gè)合作伙伴創(chuàng)造了一種可焊接鋁，具有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所需的耐熱性能。據(jù) NASA 稱，這種新型 RAMFIRE 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴比傳統(tǒng)噴嘴更輕，可以執(zhí)行攜帶更重有效載荷的深空任務(wù)。

此外，3D 打印機(jī)制造商 EOS 的德國(guó)合作伙伴公司AMCM最近推出了其最新的金屬激光束粉末床融合 (PBF-LB) 3D 打印機(jī) AMCM M 8K。

這款新型 AMCM M 8K 專為生產(chǎn)3D打印太空火箭組件而設(shè)計(jì)。這種新型 3D 打印機(jī)的第一個(gè)應(yīng)用將是為ArianeGroup 的 Prometheus 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)燃燒室。這些部件高度超過1,000 毫米，采用 CuCr1Zr 材料 3D 打印而成。