盤點：2017年金屬3D打印航空航天大事件

1、Aerojet成功點火測試3萬磅推力3D打印火箭發(fā)動機Bantam

又是Aerojet — 5月，該公司成功點火測試了其采用3D打印技術制造的液體燃料火箭發(fā)動機Bantam。這款發(fā)動機推力超過3萬磅，是該公司在3年前測試的小號Bantam發(fā)動機的6倍，十分適合小型運載火箭以及低成本的高端市場使用，

Bantam從最初設計到最終測試完成只用了短短7個月。其結構十分精簡，僅由噴射器組件，燃燒室，以及喉部和噴嘴3大部分焊接而成。相比之下，普通的3萬磅推力級火箭零部件數(shù)量通常都會超過100。此外，其制造成本也大大低于普通的火箭，而這些全部都要歸功于3D打印技術。




2、麻省理工（MIT）用尼龍3D打印的火箭發(fā)動機成功通過點火測試

4月，MIT一支學生團隊成功對他們3D打印的一個火箭發(fā)動機殼體進行了點火測試。整個過程中，發(fā)動機表現(xiàn)良好，不但噴射出了超音速尾焰（意味著產生了足夠大的推力），而且打印的殼體只有幾毫米受損。然而令人震驚的是，發(fā)動機殼體采用的材料竟不是金屬，而是最常見的一種塑料 — 尼龍！

這無疑打破了我們對于火箭的常識性認知。不過據這支MIT團隊透露，他們采用尼龍并不是因為沒有其它選擇，而是因為經費方面有限制。但最終，這卻幫助他們取得了更加令人興奮的成就，證明了原來用尼龍（塑料）造出的火箭發(fā)動機也是可以使用的。

值得一提的是，這臺發(fā)動機是使用當今最強之一碳纖維3D打印機制造商Markforged的第二代機型Mark Two打印的，而這或許正是它能通過點火測試的最重要原因。如果你對這款機器感興趣，可以聯(lián)系南極熊，郵箱：3d@nanjixiong.com；客服qq：392908259；官方微信：3125836244。


3、美國Aerojet公司成功測試最大3D打印火箭發(fā)動機部件，組件數(shù)量減少10倍

5月，Aerojet公司在俄亥俄州代頓市附近的懷特-帕特森空軍基地完成了對其RL10火箭發(fā)動機的點火測試。這款發(fā)動機的推力室部件是通過激光燒結（LS）技術用銅合金3D打印的，帶來了許多好處，主要包括：

①降低了成本（具體數(shù)字未公布）
②大幅縮短了時間 — 原先采用傳統(tǒng)技術需要數(shù)月，現(xiàn)在只需不到1個月
③大大簡化了部件的組成，將組件數(shù)量從原先的近20個減少到了只有2個

值得一提的是，除了RL10，Aerojet正在或已經用3D打印技術開發(fā)的航天應用還有許多，比如RS-25火箭發(fā)動機（將用于未來的航天發(fā)射系統(tǒng)），AR-1火箭發(fā)動機（美國砸8億美元研制，目的是取代俄制RD-180火箭發(fā)動機），以及CubeSat衛(wèi)星的推進系統(tǒng)（NASA委托）。


4、華曙高科3D打印渦噴發(fā)動機轉子件，通過10萬轉/次臺架實驗

2017年初，中國3D打印龍頭企業(yè)之一的湖南華曙高科在國內成功實現(xiàn)了3D打印技術在發(fā)動機靜子、轉子類零件上的直接應用性驗證，有望突破航空渦噴發(fā)動機的制造技術瓶頸。在臺架試驗測試環(huán)節(jié)，用傳統(tǒng)工藝制造的渦噴發(fā)動機轉子件在低于10萬轉/分鐘的轉速下破裂，而華曙高科3D打印渦噴發(fā)動機零件卻經受住了考驗！

華曙高科以新型發(fā)動機渦輪泵研制為背景，針對核心零件開展3D打印技術應用研究。其3D打印的靜子件與轉子件突破了盤軸葉片一體化主動冷卻結構設計、轉子類零件激光選區(qū)熔化成型的控形、控性等關鍵技術，解放了傳統(tǒng)工藝對結構設計的束縛，實現(xiàn)了復雜狹長內通道轉子類結構設計制造，使同類結構零件的換熱冷卻效果提升了90%。

同時，在大于104 ℃/s冷卻速度下獲得了納米級Si顆粒，大大提升了工件的力學性能，屈服強度提高近1倍，拉伸強度提高近50%。其3D打印的鎳基合金轉子件性能與鍛造標準相當。

本次試驗的成功為發(fā)動機關鍵零部件的整體設計優(yōu)化提供了充分的技術論證，實現(xiàn)了高性能關鍵結構件的快速制造，顯著提升了航空發(fā)動機的整體機械性能。目前，華曙高科正在改裝更高轉速的試驗平臺，下一步將對航空發(fā)動機進行整體設計優(yōu)化，在保證使用性能的前提性大幅減少零件數(shù)量和拼接工序，提高發(fā)動機的整體使用壽命。

5、Rocket Lab公司成功發(fā)射全球首枚搭載3D打印發(fā)動機的電池動力火箭Electron

5月底，Rocket Lab公司在新西蘭成功發(fā)射了其首枚（也是全球首枚）電池動力火箭Electron。雖然遺憾的是，火箭最終沒能進入預定軌道，但這依然令新西蘭成為了世界第11個成功將火箭送入太空的國家。

Electron個頭不大（直徑1米，高不到20米），但卻搭載了推力高達5000磅的Rutherford發(fā)動機（上圖，所有主要部件均為3D打印，采用的技術是電子束熔融），而且大量采用了碳復合材料，比一輛寶馬Mini Cooper還要輕，所以發(fā)射能力很強，能將330磅的衛(wèi)星送到距地表數(shù)百公里的軌道。另外，它的發(fā)射周期很短，發(fā)射成本也很低，每次“僅為”500萬美元左右，遠低于當前平均值

▲Rutherford發(fā)動機的一、二級推進器

▲Rutherford發(fā)動機的結構圖

因此，Electron有望實現(xiàn)每年高達100次的衛(wèi)星發(fā)射，從而徹底改變當前全球的衛(wèi)星發(fā)射市場，加速推動人類航天事業(yè)發(fā)展，而這正是它從幾年前誕生以來就一直獲得資本青睞的原因。事實上在2個月之前，該公司就在D輪融資中再次拿到了7500萬美金的巨款。借此，他們迄今為止拿到了投資就達到了1.48億美元，同時市值也超過了10億美元！


6、賽峰的3D打印金屬渦輪噴嘴獲歐洲航空安全認證，重量減輕35%

6月，知名法國航空與國防企業(yè)賽峰（Safran）的3D打印金屬渦輪噴嘴獲得了歐洲航空安全局（EASA）的飛行認證，而該噴嘴是Leonardo AW189型直升機輔助動力單元（APU）的核心部件之一。這就意味著Safran此后將可以把這種噴嘴用于其它型號的渦輪，同時也再次證明了3D打印的確是一種制造高應力部件的可靠技術。

下面來詳細了解下這個3D打印的噴嘴 — 它是eAPU60型渦輪的中央組件，通過選擇性激光熔融（SLM）技術打印鎳合金制成，在-75.5℃到45℃環(huán)境下均可正常使用，驅動起動器發(fā)電機和發(fā)電機組合。采用3D打印技術讓它的組件數(shù)量從原先的8個減少到了現(xiàn)在的4個，同時重量減輕了35%，令eAPU60獲得了同類渦輪中最好的推重比，可謂一舉多得。

Safran透露，接下來他們會繼續(xù)驗證這種3D打印噴嘴在其它型號渦輪上的使用情況，一旦成功，便可能在2017年后期將其正式安裝到達索系統(tǒng)（Dassault Systèmes，法國飛機制造商，亦是世界主要軍用飛機制造商之一）的Falcon FX（上圖）和龐巴迪（Bombardier，總部位于加拿大的國際性交通運輸設備制造商）的環(huán)球7000（下圖）兩款小型噴氣客機上。此外，他們還有可能將這個部件整合到自己將于2019或2020年推出的混合APU引擎中。

7、Ariane集團的Ariane 6火箭發(fā)動機的噴嘴頭組件數(shù)量從248驟減至1

Ariane 6是歐洲航天局（ESA）委托空客與賽峰合資成立的Ariane集團研制的新一代運載火箭，設計目的是以更具競爭力的低成本幫助歐洲進行空間探索，最大亮點在于噴嘴頭是用鎳基合金（IN718，耐高溫耐腐蝕）3D打印的，組件數(shù)量由原先的248個減少到了僅僅1個！這不僅增強了該組件性能，而且極大縮短了其制造時間，也降低了其成本。

據悉，這個噴嘴頭是用德國EOS的3D打印機制造的，上面有多達122個噴油嘴、還集成了基板和前面板。除了實現(xiàn)一體化，其重量也減輕了25%，進而降低了成本。


8、莫納什大學僅用4個月完成3D打印和測試Project X火箭發(fā)動機

9月，來自澳大利亞莫納什大學的工程師團隊成功測試了他們的3D打印火箭發(fā)動機Project X。 這款發(fā)動機從設計到3D打印、再到組裝和最終測試僅僅用了4個月時間。它基于aerospike設計，采用了反轉傳統(tǒng)火箭發(fā)動機的新結構。


9、美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)布戰(zhàn)略路線圖，助力3D打印航空應用發(fā)展

10月，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）首次披露了“增材制造（3D打�。�戰(zhàn)略路線圖”草案，建議企業(yè)圍繞現(xiàn)有的不同3D打印技術進行充分實踐。這份路線圖提供了一些關鍵的法律規(guī)范信息，涉及3D打印產品與工藝的認證，3D打印設備與零部件的維護，3D打印的研究與發(fā)展，以及3D打印的教育培訓等多個方面，可以說相當有價值。

▲GE的新型航空發(fā)動機T901-GE-900，含多個3D打印金屬零部件，已完成原型測試

迄今為止，F(xiàn)AA已經認證了許多3D打印的金屬航空部件，其中比較搶眼的有通用電氣（GE）的LEAP發(fā)動機3D打印噴油嘴，美國阿克倫大學與航空維修&工程服務公司（AMES）合作開發(fā)的3D打印維修系統(tǒng)等。而且，這樣的認證數(shù)量正在快速增加。由此可見在航空領域，3D打印技術正在以不可阻擋之勢成長，而這正是FAA制定路線圖的原因。

好消息是，F(xiàn)AA的華盛頓總部正在審核這份3D打印航空戰(zhàn)略路線圖。所以相信很快，它就能與大家見面了，而這無疑有利于促進3D打印技術在航空領域的應用發(fā)展。對此，南極熊會保持關注，一旦得到路線圖便會立即提供給大家，敬請期待！


10、通用電氣（GE）兩款新型3D打印發(fā)動機完成首測：更輕更強，油耗降低35%

10月，美國通用電氣（GE）的子公司通用航空（GE Aviation）近日與美國陸軍合作成功測試了他們研制的全球首臺“未來經濟型渦輪發(fā)動機（FATE，上圖）”。這款發(fā)動機是為某些要求極其苛刻的應用設計的，安裝了3D打印的渦輪機。

與當前的主流發(fā)動機相比，F(xiàn)ATE在許多方面都更加優(yōu)秀，比如耐熱性和載荷都更好，壽命延長了20％，燃油消耗降低了35％，生產和維護成本降低了45%，功率重量提高80％。對于這些，除了設計本身的改良，3D打印技術同樣功不可沒。另外，這款發(fā)動機還整合了先進的控制技術、算法和傳感器套件，可有效提升飛機的性能。

同時，GE航空也成功完成了對另一款渦輪軸發(fā)動機T901-GE-900原型機（上圖）的測試，旨在支持陸軍的“改進渦輪發(fā)動機項目（ITEP）。這款發(fā)動機采用了耐高溫材料，同時與FATE一樣使用了3D打印的部件。這些部件比用傳統(tǒng)技術制造的更輕更耐用，同時造型也更復雜。因此，T901-GE-900的重量減輕了許多，燃油效率當然也就隨之提高了不少，而這就足以滿足甚至超過軍方對性能的要求。

最終，對T901-GE-900原型機的測試持續(xù)了6個月的時間。而它表現(xiàn)出的性能遠遠超過了ITEP項目的要求。所以GE航空表示，將繼續(xù)在他們位于馬瑟諸塞和俄亥俄的工廠測試余下的壓縮機、燃燒器和渦輪機部件。


11、中航商用航空發(fā)動機有限責任公司用3D打印技術成功研制國產大型客機噴氣發(fā)動機CJ-1000A

12月，工信部官網宣布：國產大型客機噴氣發(fā)動機CJ-1000A研制項目通過概念設計評審。這款發(fā)動機是中航商用航空發(fā)動機有限責任公司（以下簡稱商發(fā)公司）研制的一款大涵道比渦扇發(fā)動機，中文名為“長江”，將于2022年正式裝機國產大飛機C919，在研制中大量采用了3D打印技術。

2014年12月25日，商發(fā)公司引進了其首臺3D打印設備 — 德國EOS的M280型選區(qū)激光熔融3D打印機。第二天隨即用它打印出了首個調試用樣件 — 發(fā)動機燃燒室噴嘴組件中的主渦流器。此部件的復雜性在于壁面含有很多Φ1.4mm的斜孔，并有鏤空型結構，使用傳統(tǒng)的精鑄工藝制造需要大量的工裝模具，生產周期超過一個月，但借助3D打印技術僅需16小時。


12、NASA測試火箭發(fā)動機：裝迄今最大3D打印金屬部件，焊接點減少78%

12月，骨灰級3D打印玩家美國宇航局（NASA）近日成功完成了今年對RS-25火箭發(fā)動機的最后一次點火測試。這款發(fā)動機是NASA為其太空發(fā)射系統(tǒng)項目（SLS，計劃于2022-2023年完成發(fā)射）準備的，由Aerojet Rocketdyne公司研制，大量采用了3D打印部件，截至目前已經完成了16個臺。在這次測試中，NASA又為其安裝了一個新的3D打印部件 — Pogo蓄能器。而它不負眾望，經受住了長達400秒的超高溫考驗。

據悉，這個Pogo蓄能器是Aerojet迄今為止3D打印的最大火箭發(fā)動機部件，作用是減弱燃料燃燒引起的振動，因為這些振動可能會損壞火箭的外殼。它是采用選擇性激光熔融技術（SLM）3D打印的，與采用傳統(tǒng)工藝制造的相比焊接點減少了78％。

最后來看完整視頻，相當震撼：