弗勞恩霍夫 ILT 研究3D 打印零排放氫發(fā)動機，支持可持續(xù)航空航天制造業(yè)

2024年10月18日，南極熊獲悉，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所 (ILT)致力于利用 3D 打印技術(shù)提高航空航天制造業(yè)的可持續(xù)性。該研究機構(gòu)總部位于德國亞琛，其增材制造技術(shù)正在幫助航空航天公司滿足歐盟可持續(xù)性法規(guī)。

例如，弗勞恩霍夫 ILT 正在開發(fā)用于激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印的金屬粉末，以支持零排放氫火箭發(fā)動機。這些材料是通過資源節(jié)約、氣候友好型航空技術(shù)與創(chuàng)新 (TRIKA) 計劃開發(fā)的，有助于生產(chǎn)符合氫推進系統(tǒng)嚴(yán)格行業(yè)要求的輕型發(fā)動機部件。

研究人員還在進行生命周期評估 (LCA)，以確定 LPBF 3D 打印在航空航天應(yīng)用中的生態(tài)和成本優(yōu)勢。弗勞恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合部門負責(zé)人 Tim Lantzsch 博士稱這些評估對于確定制造可持續(xù)性“不可或缺”。

此外，弗勞恩霍夫正在研究一種使用激光材料沉積 (LMD) 3D 打印更高效、更精確地生產(chǎn)火箭部件的工藝。到 2025 年 10 月，該項目旨在為歐洲航天局(ESA) 的阿麗亞娜計劃 3D 打印火箭噴嘴并制造全尺寸演示器。據(jù)報道，利用金屬增材制造來生產(chǎn)這些部件可以降低成本并縮短生產(chǎn)時間。

△阿麗亞娜5 號火箭成功發(fā)射。照片來自 Fraunhofer ILT。

零排放氫發(fā)動機

歐盟的《ReFuelEU》航空法規(guī)要求到2050年二氧化碳排放量要比1990年的水平減少60%。此外，新的《歐洲空間法》（EUSL）將包括有關(guān)空間可持續(xù)性的新規(guī)則。

為了滿足這些苛刻的期限，弗勞恩霍夫 ILT 指出了 LPBF 3D 打印的價值。研究人員強調(diào)了其生產(chǎn)輕質(zhì)、復(fù)雜、高強度部件的能力，這些部件針對航空航天應(yīng)用進行了優(yōu)化。

由德國聯(lián)邦經(jīng)濟和氣候行動部牽頭的 TIRIKA 計劃旨在推動氫氣成為航空業(yè)的零排放能源。通過該項目，弗勞恩霍夫 ILT 正在與材料制造商合作，生產(chǎn)適用于 3D 打印氫發(fā)動機部件的鋁合金粉末。研究人員還針對市售材料調(diào)整了 LPBF 工藝，驗證了它們在發(fā)動機生產(chǎn)中的應(yīng)用。

據(jù)弗勞恩霍夫 ILT 研究員 LukeSchüller 介紹，該團隊的 3D 打印工藝可實現(xiàn)超過 99.5% 的相對組件密度，以及超過 100 cm 3 /h 的構(gòu)建速度。至關(guān)重要的是，專門開發(fā)的 3D 打印粉末具有抗氫性，氫在高壓和高溫下會導(dǎo)致脆化和疲勞。據(jù)報道，3D 打印還能夠生產(chǎn)出鑄造和鍛造等傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀和功能結(jié)構(gòu)。   

△盧克·舒勒。照片來自 Fraunhofer ILT。

3D打印是否更具可持續(xù)性？     

弗勞恩霍夫 ILT 進行了生命周期評估，以確定 3D 打印航空部件與使用傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)制造的部件相比的可持續(xù)性。在此，團隊評估了部件的整個生命周期，涵蓋原材料采購、生產(chǎn)、使用和回收。   

據(jù)報道，LCA 數(shù)據(jù)可讓研究人員更快、更高效地設(shè)計新產(chǎn)品的啟動流程。它還能幫助他們評估生產(chǎn)過程中的質(zhì)量、成本、能源和資源消耗。最后，LCA 為航空航天生產(chǎn)提供了更大的透明度。

根據(jù)弗勞恩霍夫 ILT 的 LCA 分析，雖然 LPBF 3D 打印消耗大量能源，但其環(huán)境足跡比傳統(tǒng)方法“小得多”。

值得注意的是，它通過僅使用制造零件所需的精確材料量來最大限度地減少生產(chǎn)過程中的材料浪費。制造更輕質(zhì)零件的能力還可以減少航空航天部件的燃料消耗，從而進一步降低整個產(chǎn)品生命周期對環(huán)境的影響。

3D打印可持續(xù)太空火箭

據(jù)報道，F(xiàn)raunhofer ILT 的 3D 打印功能在歐盟的ENLIGHTEN（歐洲低成本、創(chuàng)新和綠色高推力發(fā)動機項目倡議）項目中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

ENLIGHTEN 于 2022 年啟動，旨在開發(fā)可由生物甲烷和綠色氫氣驅(qū)動的經(jīng)濟實惠且環(huán)保的火箭發(fā)動機。目標(biāo)是利用這些發(fā)動機為歐空局阿麗亞娜太空計劃的可重復(fù)使用火箭提供動力。

通過該項目，弗勞恩霍夫 ILT 的增材制造和修復(fù) LMD 小組正在努力使用 LMD 3D 打印制造火箭。弗勞恩霍夫 ILT 增材制造和修復(fù) LMD 小組負責(zé)人 Min-Uh Ko 聲稱 LMD 顯著提高了“制造新型火箭噴嘴的速度和成本效益”。  

研究團隊的 3D 打印設(shè)計具有精致的薄壁冷卻通道，使用替代生產(chǎn)方法生產(chǎn)起來要困難得多。據(jù)報道，傳統(tǒng)制造還會產(chǎn)生耗時且昂貴的工藝鏈，可能需要幾個月才能交付最終部件。使用本地增材制造可以大大減少這一過程。  

最終，該團隊希望建立一個可靠、受控的 LMD 生產(chǎn)流程，其中包括質(zhì)量保證，以支持大批量生產(chǎn)。它將采用一個在線系統(tǒng)，使用傳感器監(jiān)控整個 3D 打印過程。據(jù)報道，他們將檢測和糾正流程異常，并確保零件質(zhì)量始終如一。

Min-Uh Ko 補充道：“憑借我們的成果，我們可以使該行業(yè)作為航空航天工業(yè)的供應(yīng)商，未來能夠通過 LMD 在自己的系統(tǒng)上生產(chǎn)同樣大型、復(fù)雜和精細的結(jié)構(gòu)�！�      

△Min-UhKo，F(xiàn)raunhofer ILT 增材制造和修復(fù) LMD 團隊負責(zé)人。照片來自 Fraunhofer ILT。

增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天和空間應(yīng)用對增材制造的采用繼續(xù)加速。埃隆·馬斯克的火箭公司SpaceX最近同意從位于加利福尼亞州的金屬增材制造公司 Velo3D獲得金屬 3D 打印機的許可。

SpaceX 已同意向 Velo3D 支付 500 萬美元以獲得其增材制造能力，這是其之前向SpaceX 提供 3D 打印機的協(xié)議的基礎(chǔ)。增材制造此前曾用于 SpaceX 的 Raptor 發(fā)動機的生產(chǎn)，據(jù)報道，它在整合零件和優(yōu)化設(shè)計方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。馬斯克宣稱他的公司擁有“最先進的 3D 金屬打印技術(shù)”。

另外，韓國工業(yè) 3D 打印解決方案提供商InssTek與韓國航空宇宙研究院(KARI)合作開發(fā)了 3 噸多材料火箭噴嘴和火箭噴嘴延長件。

這款火箭采用定向能量沉積 (DED) 3D 打印技術(shù)制造，內(nèi)部部分由鋁青銅（銅合金）制成，外部部分由 Inconel 625（鎳基高溫合金）制成�；鸺龂娮煅由觳糠植捎� C-103（一種鈮合金）3D 打印而成。據(jù)報道，增材制造對于創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要，這些結(jié)構(gòu)和功能可解鎖組件所需的效率和可靠性。