印度3D打印IN718合金燃料噴射器，并展示出導(dǎo)彈終端應(yīng)用潛力

2021年12月6日，南極熊獲悉，印度國(guó)防冶金研究實(shí)驗(yàn)室（DMRL）的研究人員使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)升級(jí)版的燃料噴射器，可以使地對(duì)空導(dǎo)彈的推進(jìn)成本降低。

該團(tuán)隊(duì)通過采用PBF 3D打印技術(shù)，將一個(gè)三角形截面整合到他們的噴油器設(shè)計(jì)中，這使得之前需要組裝的兩個(gè)部件可以被整合到一個(gè)單獨(dú)的、流動(dòng)優(yōu)化的裝置中。工程師們表示，這樣做不僅不需要使用昂貴的電子束焊接（EBW）方法，還創(chuàng)建了獨(dú)特的、網(wǎng)格狀的輕量化元件。

△DMRL團(tuán)隊(duì)的拓?fù)鋬?yōu)化燃料噴射器的3D模型。圖片來自印度國(guó)家工程院。

印度國(guó)家級(jí)的導(dǎo)彈研發(fā)戰(zhàn)略

自2009年以來，DMRL的新型制造技術(shù)小組一直在使用Optomec LENS-750系統(tǒng)，用鋼、鈦和各種超級(jí)合金打印導(dǎo)彈原型部件。在這個(gè)過程中，該小組的工程師已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了增材技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)的航空航天生產(chǎn)工藝之下的優(yōu)勢(shì)，特別是在設(shè)計(jì)自由度和交貨時(shí)間方面。

然而，在印度Vikram Sarabhai太空中心的類似推進(jìn)器項(xiàng)目取得成功后，研究人員決定放棄DED技術(shù)，并決心設(shè)計(jì)一個(gè)自己的燃料噴射器。工程師們表示自從轉(zhuǎn)向PBF工藝后，他們已經(jīng)能夠針對(duì)現(xiàn)有的導(dǎo)彈部件，以一種在不妨礙其結(jié)構(gòu)完整性的情況下的方式重新設(shè)計(jì)它，并消除了對(duì)支撐物的需求。

該團(tuán)隊(duì)在論文中說："由于傳統(tǒng)制造業(yè)的限制，設(shè)計(jì)者沒有太多的靈活性來實(shí)現(xiàn)更有效的設(shè)計(jì)以及創(chuàng)造出更輕和更強(qiáng)的部件，他們只是被迫專門為制造而設(shè)計(jì)部件。3D打印作為一種解決方案，可以按照設(shè)計(jì)者的概念化、設(shè)計(jì)和建模來制造部件。"

△研究人員的3D打印導(dǎo)彈燃料噴射器的光學(xué)顯微組織圖像。圖片來自印度國(guó)家工程院。

改造后的航天部件

在DMRL團(tuán)隊(duì)的PBF實(shí)驗(yàn)中，他們選擇重新設(shè)計(jì)一個(gè)燃料噴射器部件，該部件通常用于導(dǎo)彈或火箭的反應(yīng)控制系統(tǒng)中，為它們提供高度控制。這些部件由"噴射器"和"環(huán)形"元件以及用于燃料和氧化劑輸出的三個(gè)大孔組成，通常通過CNC加工和EDM生產(chǎn)，然后用EBW熔合。

據(jù)工程師們說，這種方式所生產(chǎn)出的裝置元件大多會(huì)超重，很大程度上影響了性能和效率，同時(shí)還必須為其復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀提供支撐。

另一方面，通過改用PBF和采取DfAM的方法，DMRL的研究人員能夠?qū)⑺麄兊膰娚淦髯鳛橐粋€(gè)打印元件來生產(chǎn)，其新的66.4°橫截面使其能夠不受支撐。在他們的改造中，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)法升級(jí)了零件的流道，以及從其低應(yīng)力區(qū)域移除材料，并在其底部引入超輕網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

工程師們使用IN718鎳合金在EOS-M400DMLS機(jī)器在30小時(shí)內(nèi)3D打印了一個(gè)燃油噴射器的原型，然后觀察了其SEM圖像，并進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該部件具有良好的內(nèi)部空腔區(qū)域，并被證明是密集構(gòu)建的，沒有任何主要的孔隙或裂縫來削弱其結(jié)構(gòu)剛性。

此外，在測(cè)試過程中，該裝置表現(xiàn)出500至600MPa的抗壓強(qiáng)度，以及令人印象深刻的硬度和抗拉強(qiáng)度特性，研究小組稱這些特性要優(yōu)于那些傳統(tǒng)的熔化和鑄造的IN718。

因此，研究人員得出結(jié)論，他們已經(jīng)成功地證明了他們基于3D打印的方法的可行性，以及應(yīng)用到終端燃料噴射器的最終潛力。然而，他們也表示需要對(duì)打印元件進(jìn)行更多的鉆機(jī)測(cè)試，以評(píng)估他們部件的功能效率，進(jìn)一步的分析可以幫助確定更好的設(shè)備優(yōu)化機(jī)會(huì)。

△美國(guó)國(guó)防機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來一直在試驗(yàn)導(dǎo)彈的3D打印技術(shù)。圖片來自美國(guó)國(guó)防部。

3D打印在火箭發(fā)射上的應(yīng)用

隨著大尺寸金屬3D打印機(jī)的能力不斷擴(kuò)大，其航空航天應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大，世界各地的國(guó)防機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。就在去年，研究機(jī)構(gòu)ASTRO美國(guó)公司在DARPA委托的一項(xiàng)研究之后，提議建立一個(gè)高超音速導(dǎo)彈生產(chǎn)設(shè)施，該設(shè)施有可能配備3D打印機(jī)。

在美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)3D打印導(dǎo)彈部件項(xiàng)目中，它已經(jīng)獲得了Senvol及其機(jī)器學(xué)習(xí)軟件的幫助。Senvol公司利用其專有的人工智能算法，已簽約開發(fā)一個(gè)靈活的認(rèn)證計(jì)劃，可適用于任何部件或增材制造系統(tǒng)。

在其他地方，3D打印也被用于在更廣泛的航空航天領(lǐng)域制造推進(jìn)器，Agile Space現(xiàn)在加入了Launcher和Rocket Lab等長(zhǎng)期客戶的行列，并計(jì)劃使用增材技術(shù)來開發(fā)升級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見他們的論文，題為 "3D Printing of FuelInjector in IN718 Alloy for Missile Applications"，該論文由Saride Ramesh Kumar、V. Srinivas、G. Jagan Reddy、M. Raghavender Rao和T. Raghu共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s41403-021-00253-8