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NASA:3D打印机在航天航空领域使用历史以及未来前景

文章来源: 创想三维       发布时间:2019-05-15

美国航空航天局(简称NASA)不仅是美国联邦政府的一个行政性科研机构,而且还是第一个将人送上月球,并且在航空航天领域运用3D打印制造最为成熟的航天先驱者。3D打印使他们突破了新的边界,改进了火箭。接下来,就让我们来看看NASA有关3D打印机在航天航空领域使用的历史以及未来的前景。

NASA:3D打印机在航天航空领域使用历史以及未来前景

作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术,3D打印的发展时刻受到各界的广泛关注。而金属3D打印技术被行内专家视为3D打印领域高难度、高标准的发展分支,在工业制造中有着举足轻重的地位。现如今,世界各国工业制造企业都在大力研发金属增材制造技术,尤其是航空航天制造企业,更是不惜耗费大量财力、物力加大研发力度,以确保自己的技术领先优势。


在美国制造业回归战略以及德国工业4.0的背景衍衬下,国际环境也为3D打印提供了其成长不可或缺的营养。不管是美国新成立的国家增材制造中心,还是英国技术战略委员会,都将航空航天作为增材制造技术的首要应用领域。而在2012年10月,原中国科学院院长,全国人大委员会副委员长路甬祥曾明确表示,中国的3D技术也将首先应用于航空航天领域。


作为工业界皇冠上的璀璨明珠,航空航天制造领域集成了一个国家所有的高精尖技术,是国家战略计划得以实施,政治形势得以展现的后援保障领域。而金属3D技术作为一项全新的制造技术,其在航空航天领域的应用优势突出,服务效益明显。


航空航天技术是国防实力的象征,也是国家政治的体现形式,世界各国之间竞争异常激烈。因此,各国都想试图以更快的速度研发出更新的武器装备,使自己在国防领域处于不败之地。


而金属3D打印技术让高性能金属零部件,尤其是高性能大结构件的制造流程大为缩短。无需研发零件制造过程中使用的模具,这将极大的缩短产品研发制造周期。


国防大学军事后勤与军事科技装备教研部教授李大光表示上世纪八九十年代,要研发新一代战斗机至少要花10-20年的时间,由于3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。


所以如果借助3D打印技术及其他信息技术,最少只需3年时间就能研制出一款新战斗机。加之该技术的高柔性,高性能灵活制造特点,以及对复杂零件的自由快速成型,金属3D打印将在航空航天领域大放异彩,为国防装备的制造提供强有力的技术支撑。


为什么NASA要选择3D打印技术制造航天航空部件?


航空局必须跟上最新的创新,并不断寻求火箭设计的改进。过去几年3D打印制造这项技术为美国宇航局提供了许多好处。


火箭设计中最重要的部分是如何减低部件的重量,而3D打印正是这一问题的最佳解决方案。也是制造火箭的一个重要方面。3D打印还可以实现快速生产。利用3D打印进行原型设计,可以让研究人员相应地调整设计,这既节省成本,又节省时间。完美的原型可以很容易地成为最终产品,所有需要做的就是将3D模型发送到最终技术中进行3D打印。

NASA:3D打印机在航天航空领域使用历史以及未来前景

左图显示的是直接从3D打印机输出的引擎部件,右图显示的是后处理完成后的部件。


美国航天局是3D打印的高质量机械零件,耐高达3300°C(6000°F),甚至与火箭一样复杂。火箭零件必须是完美的。即使是最小的错误也会危及整个任务,造成绝对的灾难。NASA相信3D打印技术能够达到最高标准。


NASA 3D打印的相关历史


关于美国宇航局3D打印的第一条新闻要追溯到2013年,当时他们提出了一系列问题:“什么东西能在几乎6000华氏度的高温下不熔化?什么东西在极端的压力下没有破裂?从生产到测试如何做到在三周的时间内完成?什么能使昂贵的火箭零件的成本降低60%或更多?


答案是3D打印制造。美国国家航空航天局证实,对3D打印部件的测试结果表明,它们与传统制造的部件没有区别。负责监督测试的推进工程师桑德拉·埃拉姆·格林研究了测试结果,他说:“在所有的热火测试中,两个独立的3D打印喷射器工作得很稳定。”


3D打印使美国宇航局拥有耐用、耐热和复杂的零件。除此之外,它还将成本降低了50%以上,从每部分10000美元降低到不足5000美元。生产效率也更高,生产大约需要40个小时。


如何使用3D打印制造引擎?


美国航天局并没有停止使用3D打印机打印引擎部件。到2015年,他们已经开发出多个发动机部件,并一起进行了测试。他们产生了20000磅的推力!3D打印引擎经理伊丽莎白·罗伯逊(Elizabeth Robertson)评论说:“我们制造并测试了制造3D打印火箭引擎所需的大约75%的零件。通过对涡轮泵、喷射器和阀门进行测试,我们已经证明,可以为多种用途(如登陆器、空间推进或火箭发动机的上层)建造3D打印发动机。”


我们能把3D打印机送到火星上吗?


这绝对是美国宇航局3D打印历史的重要组成部分。他们发起了一场3D打印地挑战,以期获得殖民火星的最佳想法。


最好的办法是发送3D打印机,为人们的到来做好一切准备。这个解决方案意味着在另一个星球上实现全自动化和独立制造!3D打印制造使用根据环境调整的新材料和开发解决方案。这意味着可以进行最高程度的定制。


美国国家航空航天局的最新消息是一种用于3D打印火箭推进部件的铜基合金。新开发的铜合金对美国宇航局特别有吸引力,因为它是一种强导电材料。他们已经用3D打印了燃烧室衬里和喷油器面板。

NASA:3D打印机在航天航空领域使用历史以及未来前景

这种合金符合最高的航空航天等级标准。美国国家航空航天局的试验证明,这种材料在50%厚的层(0.045毫米)下表现更好,这使得冷却速度更快,并加快了生产时间。然后通过热等静压机对零件进行拉伸,以降低金属的孔隙率,最后将其送至后处理和室温拉伸试验。


采用铜合金制作的三维打印件具有良好的导热性、抗变形性和高温强度。这可以真正改变太空旅行的未来,因为我们将能够更快、更便宜地打印火箭发动机零件,而且它们将更轻,从而减少燃料的使用。


如你所见,美国国家航空航天局使用3D打印技术的时间只有6年多,并且取得了一些巨大的突破。他们的3D打印金属发动机部件可以承受超过3000°C的温度和发射过程中产生的大量应力。我们甚至开始在太空中进行3D打印!


注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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