增材制造在航空航天領域的應用簡述

魔猴君  行業資訊   2025天前

在增材制造（AM）的早期，該技術主要集中在設計和快速原型應用上。而最近增材制造技術正逐漸被應用于從耐火材料和技術材料中制造高性能機械部件。

這在太空和航空航天工程中尤為常見，可承受性、多功能性、速度和精度的結合使增材制造成為理想的選擇。

它在輕型結構中打印耐火材料的能力使其成為一種有吸引力的方法，提供的高溫性能僅占傳統制造的耐火金屬零件重量的很小一部分。

本文將概述與傳統減法制造相比，增材制造的關鍵優勢所在，以及如何實現這些優勢以改變航天工程的格局。

美國宇航局（NASA）在2013年對火箭噴射器設計進行了測試。在這些測試中，小規模噴射器在燃燒氫氣和液氧的同時，經受的溫度超過3300°C，承受極端壓力超過46秒。

測試是成功的。一位負責測試的工程師解釋說，這些新部件“運轉良好”，可以應對極端條件，而不會出現故障跡象。更為出色的是，這些高性能零件都是通過一步式增材制造工藝生產的。

NASA先前用于這些測試的小規模噴射器是使用傳統的“減材”方法制造的：加工和銑削散裝材料，并將零件連接在一起。以前的噴射器每件制造成本為10,000美元，有四個部件，制造時間超過六個月。而增材制造不僅能生產出功能上難以區分的新噴射器部件，而且是花費不到三周的時間和一半的成本就實現了這一目標。

NASA的燃油噴射器只是將增材制造技術應用于太空應用以提高制造效率和部件性能的多種方式中的一個例子。

增材制造的優勢

當應用于航天工程時，增材制造具有許多優勢。首先，增材制造使構造幾何形狀復雜的部件成為可能，這將可能需要高度專業化的生產方法。

一旦需要幾個不同的處理步驟，諸如NASA火箭噴射器之類的組件現在就可以通過一致的增材制造工藝進行制造。

德國航空航天中心的研究人員使用AM制造最近開發并制造了可重復使用的火箭發動機原型。新的增材制造設計使重量減輕了10％，部件數量從30個減少到1個，并比以前的設計提供了更高的性能。

與傳統的減材制造方法相比，增材制造能提供更大的經濟優勢。實際上，由于消除了對新零件進行重新裝配或修改制造程序的要求，因此可以使用一臺機器按需有效地生產組件，這意味著規模經濟更容易實現。

AM可以為小批量（通常低至一個）提供規模經濟，這意味著制造商可以按需訂購或生產部件，而不是一次性訂購數千個部件以提高經濟效益。

增材制造既是生產大量航空航天部件的一種成本效益高、又何生產高度可定制部件的方法。在航空航天應用中利用增材制造的關鍵優勢還在于，它可以用來顯著降低組件數量。

增材制造方法可以輕易地制造出帶有封閉單元、凹穴和孔的組件，以大大減少組件的數量。相反，減材制造幾乎只能創建密度均勻的“固體”部體。

例如，有數據表明，AM制造的衛星部件的重量減輕了驚人的70％。這不是一件小事，因為衛星部件的數量大大降低，從而大大降低了發射衛星和到達軌道時操縱衛星所需的燃料量。

在太空應用中盡可能減少每克重量的重要性不言而喻。AM提供了一種在不影響性能的情況下減少現有組件重量的方法。當需要由致密的技術金屬和耐火材料生產高性能部件時，這一點尤其重要。

來源：中國3D打印網