应用聚焦：3D 打印火箭和航天器制造的未来

3D 打印正迅速成为航天器制造（尤其是火箭）的一项激动人心的技术。初创公司和老牌制造商都在采用 3D 打印技术，以更低的成本和更快的周转时间来制造具有增强设计和性能的火箭部件。

本周，我们将继续我们的应用聚焦系列，探讨 3D 打印火箭部件甚至整个火箭的优势。

看看本系列中涵盖的其他应用程序：

热交换器的 3D 打印

轴承3D打印

用于自行车制造的 3D 打印

用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

用于医疗植入物的 3D 打印

鞋类制造的3D打印

电子元件3D打印

铁路行业的 3D 打印

3D 打印眼镜

用于终端零件生产的 3D 打印

支架的 3D 打印

涡轮机零件的 3D 打印

3D 打印如何实现性能更好的液压元件

3D 打印如何支持核电行业的创新

为什么要使用 3D 打印来制造火箭部件？

将卫星送入太空的竞赛正变得越来越激烈。

为此，航天器制造商面临着加速火箭开发和生产、同时降低成本和提高效率的挑战。

然而，在传统的火箭制造中，多个原型制作周期和生产步骤使得过程漫长且成本高昂。

例如，制造一个传统的燃烧室（一种燃料和压缩空气的混合物被点燃的结构火箭部件）可能需要 10 到 14 个月的时间。

为了生产这些燃烧室，制造商需要铸造和锻造单独的部件。然后需要在周围加工冷却通道 腔室——一个非常耗时、劳动和成本密集的过程。

考虑到这些挑战，主要的火箭制造商已经开始使用增材制造来生产燃烧室。一旦设计完成，3D 打印的燃烧室就可以在几周内制造出来，从而使制造商能够显着减少生产时间和成本。

制造在太空发射的硬件需要卓越的性能和精度。为确保成功发布，每个部分都必须无缝协作。

采用传统制造方式，工程师在设计高度复杂的火箭部件时面临限制。金属 3D 打印使工程师能够克服传统工艺的一些限制，更快地开发更复杂的火箭部件。

用于制造火箭部件的 3D 打印技术

截至今天，航天器公司大体上已采用基于激光的金属 3D 打印技术，如选择性激光熔化 (SLM) 来生产火箭发动机部件，如燃烧室、喷射器、喷嘴、泵和阀门。 SLM 将强大的微调激光应用于一层金属粉末，将金属颗粒融合在一起。该过程重复数百层，直到创建一个零件。

SLM 提供高精度（可打印薄至 20 微米的层），并经过优化以适用于各种高性能金属，从钛合金到镍合金。该技术通常用于较小的零件。

除了 SLM 之外，一些航天器公司还使用直接能量沉积 (DED) 技术来制造大型组件。 DED 3D 打印机的工作原理是用激光或电子束熔化金属材料，因为金属材料通过喷嘴沉积到构建平台上。

通常，DED 机器具有较高的材料沉积率，可以处理粉末或线状金属材料，制造具有近净形状的高密度零件。

火箭 3D 打印的好处

迭代能力 迅速

火箭部件 3D 打印的最大优势之一是能够非常快速地迭代设计。

“使用加法，您可以在通过传统方法获得第一个设计之前进行五次设计迭代，而这五次加在一起的成本可能不到一次传统迭代 ，”EOS 北美航空航天业务开发经理 Scott Killian 在接受 engineering.com 采访时说。

一台 3D 打印机可以直接从设计文件中创建火箭部件，无需工具。如果零件需要修改，工程师只需对原始 CAD 文件进行更改，就可以比传统流程更快地创建新的、修改过的设计。

设计灵活性

在不依赖工具的情况下，3D 打印为航天器工程师提供了创建传统工艺无法实现的复杂形状和几何形状的灵活性。

考虑燃烧室。作为所有火箭发动机的关键部件，燃烧室必须承受高压环境和高达 5,000°F (2760°C) 的温度，因为推进剂在内部混合和点燃。

为了高效运行，该组件需要复杂的内部冷却通道，其中填充有冷却至绝对零以上低于 100°F (38°C) 的气体。

传统上，这些冷却通道的开发非常复杂且成本高昂。它们需要专门的工具来加工数控机床冷却通道并钎焊腔室的外壁。然后需要将这些单独的部分焊接成一体。

另一方面，3D 打印可以直接生产整个腔室，从而简化了流程。此外，它还支持复杂的冷却通道设计，如上图所示，这是无法加工的。

更便宜的火箭部件

发动机是运载火箭（用于将卫星或其他航天器发射到太空的火箭动力运载工具）中最昂贵的部分。一台发动机的成本可以占到整个火箭成本的 40%。通过使用 3D 打印来制造关键的发动机部件，火箭制造商可以显着降低航天器的总体成本。

3D 打印使工程师能够简化火箭发动机部件的生产，绕过许多生产步骤。步骤越少，所需的设备和微调就越少，最终降低生产成本。

此外，通过 3D 打印实现生产过程的自动化意味着大部分劳动力成本都被排除在外.

例如，英国航空航天公司 Orbex 使用 SLM 技术和镍合金为其 Prime 发射器 3D 打印发动机。与 CNC 加工等更传统的生产工艺相比，金属 3D 打印使 Orbex 的周转时间缩短了 90%，成本降低了 50%。

埃隆·马斯克的私人商业航天企业 SpaceX 已经还采用 3D 打印来降低成本，并在其 Draco 和 SuperDraco 推进器的生产过程中提供更大的灵活性。该公司使用基于 SLM 的金属 3D 打印机来创建 Inconel 燃烧室。

据 Musk 称，“通过 3D 打印，可以以极低的成本制造坚固且高性能的发动机部件。传统制造方法的成本和时间 。”

简化组装

此外，工程师还可以大大减少装配过程中的步骤数量。这可以通过 3D 打印由多个组件制成的单个火箭部件来实现。

以注射头为例。喷油器头是推进模块的核心元件之一，它迫使燃料混合物进入燃烧室。

传统上，喷油嘴是由几十个甚至上百个零件组成，需要通过机加工和焊接在一起。相比之下，3D 打印可以将此类组件生产为单件。

德国航空航天中心 (DLR) 的研究人员使用 3D 打印为小型卫星发射器设计了一种新的喷射头。

结果是一个整体部件重量减轻了 10%。通过将组件数量从 30 个减少到只有一个，研究团队还消除了紧固部位的已知故障点。最后，据说新的优化设计可以提高零件性能并延长零件的使用寿命。

同样，金属 3D 打印专家 EOS 简化了用于 Ariane 6 发射器的注射器头的组装，由空中客车集团和赛峰集团的合资企业 ArianeGroup 开发。

SLM 技术的使用使团队能够将注射头重新设计为一个组件，而不是传统设计所需的 248 个组件。其他优势包括成本降低 50% 和交货时间缩短三倍。

3D 打印火箭部件示例

Rocket Lab 的 3D 打印卢瑟福引擎

7 月，总部位于加利福尼亚的航空航天公司 Rocket Lab 完成了第 100 台 3D 打印的卢瑟福火箭发动机。自 2013 年以来，该公司一直在其所有主要发动机部件（包括燃烧室、喷射器、泵和主推进剂阀门）上使用 3D 打印。

九台卢瑟福液体推进剂发动机为 Rocket Lab 的 Electron 火箭提供动力，它由复合材料制成，最多可承载 225 公斤的有效载荷。发动机零件是使用电子束熔化 (EBM) 技术 3D 打印的，据说该技术生产的发动机零件比传统工艺便宜。

最近，Rocket Lab 再次证明了 3D 打印发动机的可靠性，使用其电子发射器成功将四颗卫星送入轨道。

到2020年，公司计划每月进行两次发射。借助 3D 打印，Rocket Lab 能够在几天而不是几个月内生产出发动机，该团队已做好准备将这一计划付诸实施。

3D 打印整个火箭

位于加利福尼亚的初创公司 Relativity Space 希望超越 3D 打印的火箭发动机。该公司正在开发一种人族火箭，其中大约 95% 的组件将采用 3D 打印。

为了实现这一目标，该公司开发了 Stargate，这是世界上最大的 DED 金属 3D 打印机之一。 Stargate 能够制造直径达 2.7 m（9 英尺）、高约 4.5 m（15 英尺）的组件，因此将打印所有燃料箱和其他大型火箭组件。

通过使用 3D 打印制造几乎整个火箭，Relativity Space 希望大大减轻火箭的重量，从而有可能降低发射成本，同时增加有效载荷。

3D打印还将减少需要组装的零件数量，从而提高火箭的强度和稳定性。

对于较小的零件，该公司正在使用 SLM 技术。

根据 Relativity Space 的说法，3D 打印使其能够快速更改设计，并且使用的工具和劳动力比火箭开发中通常所需的工具和劳动力更少。最终，这可以让 Relativity Space 在不到两个月的时间内从原材料变成可以飞行的火箭。

Relativity Space 是目前唯一一家将 3D 打印技术应用于整个火箭的公司。它的 3D 打印火箭概念会被证明是成功的吗？答案最终将在于测试和发布。 3D 打印的 Terran 火箭的试发射定于 2020 年末进行。

航空航天 3D 打印的未来

3D 打印彻底改变了火箭和火箭发动机部件的设计和生产方式。火箭设计的基本原理可能没有改变，但金属 3D 打印开辟了提高火箭性能的新方法，提供了更大的设计自由度。

该技术有助于降低发动机的制造成本，发动机是最昂贵的火箭部件之一。这是通过减少生产步骤和实现更频繁的设计迭代来实现的。

尽管 3D 打印超出发动机部件的能力还有待测试，但该技术在完全 3D 打印方面的潜力未来的火箭真是令人兴奋。

3D打印已成为航天器生产的关键制造技术，使工程师能够更快地创新并带来下一代太空旅行。

在我们的下一篇文章中，我们将介绍制鞋业中的 3D 打印。敬请期待！