尼康SLM Solutions為NASA GRCOP-42銅合金開發(fā)新材料參數

2023年12月12日，南極熊獲悉，金屬 3D 打印機制造商Nikon SLM Solutions為NASA的GRCop-42 銅合金創(chuàng)建了新的材料參數。這些參數的開發(fā)是為了滿足航天工業(yè)對GRCop-42 不斷增長的需求。SLM Solutions希望這種現(xiàn)成的解決方案能夠緩解粉末供應挑戰(zhàn)，并允許服務提供商在尼康SLM 3D打印機上成功3D打印空間組件。

材料參數在設計時考慮了可擴展性，并針對NXG XII 600等大幅面 3D 打印機進行了優(yōu)化。據報道，新參數還可以實現(xiàn) 99.97% 的密度，以及 3D 打印機構建區(qū)域的單激光和多激光重疊區(qū)域的穩(wěn)定特性。

該公司在最近發(fā)布的案例研究中表示：“開發(fā)工作體現(xiàn)了尼康 SLM Solutions 為 GRCop-42 提供解決方案的承諾，為航天工業(yè)更廣泛的采用鋪平了道路。尼康 SLM 解決方案可以縮短供應鏈時間表并改善未來太空項目的前景。這些結果與 SLM 的開放式架構相結合，可以將參數設置擴展到更大的平臺，例如構建高度為 1.5 米的 NXG XII 600 和 NXG XII 600E。”

△SLMSolutions NXG XII 600 3D 打印機。 圖片來自SLM Solutions

NASA 的 GRCop-42 材料

GRCop-42 銅合金材料是由阿拉巴馬州NASA 馬歇爾太空飛行中心(MSFC) 和俄亥俄州NASA 格倫研究中心(GRC)的團隊于2019 年開發(fā)的。

這種銅鉻鈮材料是 NASA 更廣泛的GRCop 合金系列的一部分，具有高導熱性和高強度。該合金旨在實現(xiàn)快速散熱，并針對需要熱穩(wěn)定性和抗蠕變性的液體火箭發(fā)動機的生產進行了優(yōu)化。

火箭發(fā)動機制造商PANGEA Aerospace和增材制造工程公司AENIUM此前曾合作使用 GRCop-42開發(fā)3D 打印推進系統(tǒng)并將其工業(yè)化。兩家公司致力于利用銅合金材料的特性來制造功能齊全、經濟可行且省時的 PANGEA Aerospike 發(fā)動機。

尼康 SLM 并不是第一家為GRCop-42 開發(fā)專有 3D 打印工藝的公司。2021年，航空航天增材制造服務提供商Sintavia為NASA開發(fā)的銅合金開發(fā)了自己的3D打印參數和熱處理后處理步驟。

Sintavia 的 GRCop-423D 打印參數集是在慕尼黑 3D 打印機制造商EOS的M400-4 3D 打印機上開發(fā)的。據報道，這些參數可以產生密度至少為 99.94% 的部件，并且可以提供 28.3 ksi 的最小拉伸強度、52.7 ksi 的最小極限屈服強度和 32.4% 的最小伸長率。

△使用EOS M400-4 3D 打印機 3D 打印銅零件。 照片來自 Sintavia。

優(yōu)化 GRCop-42 以滿足不斷增長的需求  

在材料參數開發(fā)過程中，GRCop-42粉末的供應由尼康SLM Solutions的全球生產合作伙伴保證。這里規(guī)定了粉末質量，并對每批產品的質量進行內部篩選。

該公司在最初的開發(fā)過程中使用了兩臺SLM 280 2.0 700W 3D 打印機。據稱，這些新參數可提供與市場上其他激光粉末床熔融 (L-PBF) 3D 打印機相當或更好的結果。

在 3D 打印參數的開發(fā)過程中，從小零件到大型組件的可擴展性通常會帶來挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，尼康 SLM 研究了激光填充參數、邊界輪廓以及蒙皮上下參數，以獲得最佳表面粗糙度。

然后選擇最佳參數并通過高曝光區(qū)域構建進行測試，以評估整個構建平臺的穩(wěn)健性。然后，尼康SLM 團隊制作了一個參數發(fā)布候選版本，并使用不同的方法對其進行了測試，然后進行了一系列資格認證工作。進行這些3D 打印作業(yè)是為了收集整個 3D 打印平臺和多個構建的統(tǒng)計機械屬性數據。

△SLM280 2.0 3D 打印機。照片來自 SLM Solutions

參數發(fā)布候選代表了高曝光3D打印預期機械性能的真實視圖。這些特性包括立式機加工零件的 290 MPa 屈服強度、535 MPa 極限拉伸強度和 22% 斷裂后伸長率。臥式機加工零件的屈服強度為 340 MPa，極限拉伸強度為 545 MPa，斷裂后伸長率為 21%。該公司聲稱，薄壁和厚壁的大型部件，以及經過熱等靜壓 (HIP) 處理的部件，可能會大大超過這些值。

據說縮放因子和光束補償值的調整是參數開發(fā)過程的關鍵部分。Nikon SLMSolutions 表示，這些參數是高精度 3D 打印零件的關鍵。

該公司聲稱其參數開發(fā)方法包括對縮放和光束補償進行必要的調整。據報道，這些都在零件上進行了驗證和標準化，包括不同尺寸和幾何形狀的測試工件。   

展望未來，尼康SLM Solutions將致力于評估HIP后處理對機械性能的影響、后處理參數對NXG XII 600的可擴展性以及大型零件的參數優(yōu)化。  

△構建作業(yè)來測試發(fā)布候選參數，包括水平/垂直拉伸桿。 照片來自尼康 SLM Solutions

3D 打印太空組件

采用金屬增材制造來生產太空零件的情況無疑正在增長。今年早些時候，NASA 宣布成功 3D 打印并測試了一種新型火箭發(fā)動機噴嘴，作為其RAMFIRE 項目的一部分。

NASA 工程師與材料開發(fā)商Elementum3D合作開發(fā)了新型 RAMFIRE 噴嘴。兩個合作伙伴創(chuàng)造了一種可焊接鋁，具有火箭發(fā)動機所需的耐熱性能。據 NASA 稱，這種新型 RAMFIRE 火箭發(fā)動機噴嘴比傳統(tǒng)噴嘴更輕，可以執(zhí)行攜帶更重有效載荷的深空任務。

此外，3D 打印機制造商 EOS 的德國合作伙伴公司AMCM最近推出了其最新的金屬激光束粉末床融合 (PBF-LB) 3D 打印機 AMCM M 8K。

這款新型 AMCM M 8K 專為生產3D打印太空火箭組件而設計。這種新型 3D 打印機的第一個應用將是為ArianeGroup 的 Prometheus 火箭發(fā)動機生產燃燒室。這些部件高度超過1,000 毫米，采用 CuCr1Zr 材料 3D 打印而成。