增材制造如何加速航空航天技术发展

当您想到增材制造（也称为 3D 打印）时，您可能会想到用于消费品、家具或医疗设备的复杂网格部件。但是火箭发动机？

去年 3 月发射的 Terran 1 火箭有 85% 是 3D 打印的，包括机身和九个发动机。火箭的大部分是用 Relativity 独特的金属 3D 打印机制造的，这家初创公司在 60 天或更短的时间内打印出的火箭零件数量减少了 100 倍，打破了 18 个月的行业标准。

Terran 1 只是航空航天业如何保持在增材制造前沿的一个例子，以及为什么 NASA 和欧洲航天局 (ESA) 等组织正在资助项目以从这项技术中获得更多收益。

在此博客中，我们将研究 3D 打印为航空航天制造商提供的一长串好处。

多零件一体化制造

航空航天中使用的许多系统和组件由数十个甚至数百个零件组成，每个零件都必须经过设计、测试、制造和组装。这不仅是时间和资源密集型的，而且在两个部分连接的每个点都会产生潜在的漏洞。

零件合并是重新设计装配体以合并尽可能多的零件而不影响强度、功能或性能的过程。这通常会导致设计具有复杂的形状和结构，这些设计很难或不可能使用传统方法生产，但却是逐层构建零件的增材制造的理想选择。
零件合并的优点很多，包括： • 更短、简单的的供应链
• 更快的生产、市场输送路径
• 降低焊点、铆钉、螺栓等失效的风险
• 更好的强度重量比

节约制造成本

一般来说，增材制造和零件整合的最大影响之一是节省成本。更少的零件意味着更少的供应商和更少的运输零件和组装时间。在本地打印单个零件还可以降低质量控制和库存管理的成本。它还可以最大限度地降低因供应链中断而导致的延误风险。

此外，当工程团队需要进行故障分析、分析磨损、进行小的改进或完全重新设计零件时，只需处理一个零件，而不是几十个或一百个。在这些情况下，时间和成本的节省是可观的。

超越制造限制的新设计

由于增材制造节省的时间和成本，它为航空航天工程团队在迭代设计改进时提供了更大的灵活性。
通常，紧迫的交货时间对设计师和工程师有很大的限制。但借助 3D 打印，工程师可以花更多时间探索和试验以找到理想的解决方案，而无需担心超出预算或延误进度。
增材制造还可以实现快速原型制作，进一步减少每次迭代的时间和成本。
使用金属进行快速原型制作可能非常昂贵。在这些情况下，仿真软件通过减少迭代次数来加快流程，直到新组件变得完美为止。

借助仿真，工程师可以对 3D 模型进行预变形，并主动适应 3D 打印过程中可能发生的变形，从而以更低的成本更高效地创建更准确的设计。
例如，这个叶轮使用高级仿真来测试轻量化设计。由此产生的叶轮不仅重量更轻，而且在全尺寸发动机中成功进行了测试，能够承受各种负载的实际环境条件。

先进的设计工具

增材制造的基于层的特性使航空航天工程师能够获得设计技术，而这些技术对于通过传统方式制造的零件来说根本不可用。

一个例子是轻量化，这在航空航天领域至关重要。从零件上去除的每一点材料都会减轻其重量，从而降低燃料成本。同时，该零件仍必须满足对稳定性和刚度的严格要求，这两项通常都会增加其重量。轻量化使用拓扑优化来寻找在保持强度的同时最小化重量的创新结构。这些结构通常只能使用增材技术来制造。

例如，该卫星天线支架采用轻量化技术进行了重新设计。所得零件的重量比以前的版本轻 40%，并且超出其刚度要求 30% 以上。

同样，这种用于卫星定位的推进器机构包含七个经过拓扑优化的支架，可减轻推进器的重量并提高其效率，同时满足对指向精度和整体功能的期望。

材料的选择

增材制造的设计自由度也延伸至材料选择。同样，航空航天领域的减重对燃油效率有着巨大的影响。增材制造技术让航空航天制造商能够考虑范围广泛的新材料，这些材料的重量比传统材料轻，但仍具有足够的强度。

这些材料，包括 ULTEM 9085 树脂，不适用于传统制造技术。但通过 3D 打印，它们可用于制造各种机舱部件，例如空气管道和墙板，从而显着减轻重量。

另一个例子是 GRCop-42（Cu-4 at.% Cr-2 at.% Nb），这是一种弥散强化铜合金，具有高强度和令人印象深刻的导热性，由 NASA 开发，用于制造改进的火箭推进器。

耐温性

航空航天部件经常暴露在极端温度以及非常大的温度波动中。例如，这颗电信卫星上的固定支架需要非常坚固，但经常暴露在 -180°C 至 150°C 的温度范围内，这会对材料产生很大的压力。钛提供了重量和导热性的最佳组合，但由此产生的部件没有达到性能预期。

然而，增材制造让设计团队可以在不改变材料的情况下自由考虑其他设计。新设计结合了零件整合和轻量化技术，打造出重量减轻300克的精密制造支架，生产成本降低20%以上，轻松满足耐温要求。

从软件开始

在所有这些好处以及 NASA 和 ESA 的专项资金的推动下，航空航天业继续推进增材制造的创新。特别强调的一个领域是帮助工程团队从 3D 打印系统中获得最大价值的软件。

例如，对于上述重新设计的叶轮，Amphyon 仿真技术现已集成到 3DXpert 中，有助于防止变形，同时显着缩短计算时间。

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