Rocket Lab使用90噸3D打印機(jī)制造“世界上最大的”碳復(fù)合材料火箭

2024年10月22日，南極熊獲悉，加州航天發(fā)射公司Rocket Lab正在使用一臺(tái) 90 噸重的 3D 打印機(jī)建造據(jù)稱“歷史上最大的碳復(fù)合材料火箭結(jié)構(gòu)”。

據(jù)報(bào)道，Rocket Lab公司的3D 打印機(jī)是一臺(tái)定制的自動(dòng)纖維鋪放 (AFP) 機(jī)，是世界上同類系統(tǒng)中最大的。該機(jī)器人 3D 打印機(jī)由美國(guó)Electroimpact 公司制造，高 39 英尺（12 米），每分鐘可鋪放328 英尺（100 米）連續(xù)碳纖維復(fù)合材料。

Rocket Lab 已在位于馬里蘭州Middle River 的空間結(jié)構(gòu)綜合設(shè)施中安裝了大型 AFP 機(jī)器。該機(jī)器旨在自動(dòng)生產(chǎn)該公司可重復(fù)使用的中子運(yùn)載火箭的所有主要復(fù)合結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括 91 英尺（28 米）級(jí)間和整流罩的面板、22.9 英尺（7 米）直徑的第一級(jí)和16.4 英尺（5 米）直徑的第二級(jí)儲(chǔ)罐。

據(jù) Rocket Lab 介紹，使用傳統(tǒng)的手工方法建造第二級(jí)圓頂需要數(shù)周時(shí)間，而 AFP 機(jī)器只需 24 小時(shí)便可完成。據(jù)預(yù)測(cè)，使用 AFP 技術(shù)建造火箭結(jié)構(gòu)將節(jié)省超過(guò)15 萬(wàn)小時(shí)。

Rocket Lab 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官彼得·貝克爵士評(píng)論道：“當(dāng)我們建造世界上最大的碳復(fù)合材料火箭時(shí)，我們需要世界上第一臺(tái)碳復(fù)合纖維鋪放機(jī)是理所當(dāng)然的。我們將結(jié)合我們專有的經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證的碳復(fù)合材料技術(shù)、增材制造和自主機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造大型航空航天部件，其速度不僅可以支持中子的發(fā)射節(jié)奏，還可以支持我們的航天器客戶的電子和碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)�！�

RocketLab 的 90 噸自動(dòng)纖維鋪放 (AFP) 機(jī)。照片來(lái)自 Rocket Lab。

3D 打印“世界上最大的”碳復(fù)合材料火箭

AFP 機(jī)器可以橫向移動(dòng) 98 英尺（30 米），逐層向不同方向鋪設(shè)碳纖維板，直到結(jié)構(gòu)完全制造完成。該系統(tǒng)的高速對(duì)于Rocket Lab 大型發(fā)射裝置部件的生產(chǎn)至關(guān)重要，這些部件面積達(dá)數(shù)千平方米，具有數(shù)百層碳纖維層。  

Rocket Lab的巨型 3D 打印機(jī)還配備了自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，并可在鋪設(shè)過(guò)程中檢測(cè)整個(gè)層壓碳復(fù)合材料的缺陷。如果發(fā)現(xiàn)缺陷，系統(tǒng)會(huì)在添加下一層之前自動(dòng)提醒操作員問(wèn)題。這為 Rocket Lab 的中子發(fā)射器的質(zhì)量提供了額外的信心，幫助它滿足航空航天和航天工業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

盡管 AFP 機(jī)器尺寸驚人，但它并不局限于大規(guī)模應(yīng)用。它還用于為 Neutron 3D 打印較小的碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。該可重復(fù)使用的發(fā)射器能夠?qū)?3,000 公斤的載荷送入近地軌道，旨在將衛(wèi)星基站運(yùn)送到太空。

據(jù)報(bào)道，Neutron 將于明年首次發(fā)射，將成為世界上第一枚中型碳復(fù)合材料火箭。它由 Rocket Lab 的新型 3D 打印可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī) Archimedes 提供動(dòng)力。這取代了該公司上一代3D 打印 Rutherford 發(fā)動(dòng)機(jī)，后者采用電子束熔化 (EBM) 技術(shù)生產(chǎn)。

除了 Neutron，RocketLab 還利用 AFP 系統(tǒng)生產(chǎn)其 3D 打印發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的 Electron 火箭的第一級(jí)和其他經(jīng)過(guò)太空驗(yàn)證的碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這些包括航天器的面板和組件、太陽(yáng)能電池板的基板、碳復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)和油箱以及其他客戶航空航天項(xiàng)目。

增材制造提高了航天火箭的生產(chǎn)能力

增材制造在太空火箭生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。今年早些時(shí)候，NASA 的 Paul Gradl 告訴 3D 打印行業(yè)，金屬 3D 打印在“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用”。

上個(gè)月，埃隆·馬斯克的火箭公司SpaceX宣布與 Velo3D 簽署了一份價(jià)值 500 萬(wàn)美元的 3D 打印機(jī)許可協(xié)議。該協(xié)議是繼之前為SpaceX 提供 3D 打印機(jī)的合同之后達(dá)成的。值得注意的是，該公司在其 Raptor 發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)中利用了增材制造技術(shù)。馬斯克最近聲稱，該公司擁有“最先進(jìn)的 3D 金屬打印技術(shù)”。

今年早些時(shí)候，中國(guó)藍(lán)箭航天首次成功試射并著陸其可重復(fù)使用的朱雀三號(hào) VTVL-1 火箭。據(jù)報(bào)道，這款火箭采用了一系列增材制造的部件，這些部件采用鉑力特(BLT) 的金屬 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)。這些部件包括接頭元件、點(diǎn)火器支架和復(fù)雜的自由體部分。據(jù)稱， 3D 打印的太空火箭部件大大縮短了整體生產(chǎn)時(shí)間，加快了交付速度，并支持快速開(kāi)發(fā)迭代。

鉑力特3D 打印機(jī)還用于制造中國(guó)航空航天公司東方航天的重力一號(hào) Y-1 商業(yè)運(yùn)載火箭的部件。重力一號(hào)被稱為“世界上最大的固體火箭”，其各種部件均采用 BLT 的激光固體成型 (LSF) 技術(shù)制造。據(jù)報(bào)道，3D 打印這些部件克服了傳統(tǒng)制造方法存在的加工困難、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和材料利用率低等問(wèn)題。