普渡大學(xué)開(kāi)發(fā)新型深色陶瓷3D打印技術(shù)，提升高超音速飛行器耐極端條件性能

2025年2月17日，南極熊獲悉，普渡大學(xué)應(yīng)用研究所(PARI)的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種工藝，將深色陶瓷（能夠承受高超音速飛行的惡劣條件的材料）3D打印成高超音速飛行器部件的復(fù)雜形狀。目標(biāo)是大規(guī)模3D打印這些部件，以提高效率和性能。這項(xiàng)研究是國(guó)防部制造科學(xué)技術(shù)計(jì)劃辦公室資助的五個(gè)項(xiàng)目之一，旨在實(shí)現(xiàn)高超音速飛行器部件的高效、高性能生產(chǎn)。

突破深色陶瓷3D打印技術(shù)難題

Rodney Trice是工程學(xué)院材料工程系的教授，也是PARI高超音速先進(jìn)制造技術(shù)中心(HAMTC)陶瓷加工領(lǐng)域的首席專家，他正在帶頭致力于增強(qiáng)這些材料以用于3D打印。這項(xiàng)技術(shù)允許打印出表面光滑、精度達(dá)到微米級(jí)別的復(fù)雜設(shè)計(jì)和幾何圖形，這對(duì)于高超音速飛行器的部件至關(guān)重要。

然而，深色陶瓷3D打印技術(shù)并非易事。由于深色粉末吸收紫外線，導(dǎo)致固化材料所需的紫外線無(wú)法有效穿透，從而限制了固化深度。這直接影響到制造每個(gè)部件所需的時(shí)間。為解決這一問(wèn)題，Trice教授、材料工程博士生Matthew Thompson和HAMTC陶瓷研究工程師 Dylan Crump正在研究樹(shù)脂系統(tǒng)、表面處理方法以及其它可增加固化深度的技術(shù)。

Thompson解釋道：“我們正在作為材料研發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)，不斷調(diào)整材料屬性和進(jìn)行表面改性，以提升性能并優(yōu)化打印過(guò)程。”

此外，隨著打印部件尺寸的增加，后處理階段的挑戰(zhàn)也相應(yīng)增加。更大的部件更容易出現(xiàn)分層和開(kāi)裂等問(wèn)題。因此，Trice、Thompson和Crump正在努力消除這些潛在問(wèn)題，確保從小型到大型打印機(jī)的平滑過(guò)渡不會(huì)對(duì)部件造成損害。

Thompson強(qiáng)調(diào)：“我們的目標(biāo)是找到解決方案，無(wú)論是建立生產(chǎn)流水線還是為利益相關(guān)者提供可用策略，確保在研發(fā)新系統(tǒng)時(shí)能夠節(jié)省時(shí)間。”

△2023年，普渡大學(xué)應(yīng)用研究所耗資4100萬(wàn)美元在校園內(nèi)開(kāi)設(shè)高超音速和應(yīng)用研究設(shè)施

3D打印全尺寸超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原型

雖然，這項(xiàng)研究未詳細(xì)說(shuō)明3D打印技術(shù)的具體應(yīng)用，但普渡大學(xué)先前已經(jīng)利用3D打印技術(shù)成功開(kāi)發(fā)出高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)的原型。

去年3月份，PARI的研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)出全尺寸超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（scramjet）原型機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠支持飛機(jī)以超過(guò)5馬赫的速度飛行，展示了3D打印在航空航天制造領(lǐng)域的巨大潛力。

△早在2022年，普渡大學(xué)與Velo3D打印高超音速金屬零部件

3D打印原型機(jī)的開(kāi)發(fā)得益于PARI高超音速先進(jìn)制造技術(shù)中心（HAMTC）的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造工藝。HAMTC的研究人員與GE增材制造公司合作，采用了GE Concept Laser X Line 2000R打印機(jī)進(jìn)行大規(guī)模金屬制造。通過(guò)這種先進(jìn)的3D打印技術(shù)，團(tuán)隊(duì)能夠制造出具有復(fù)雜幾何形狀和重量輕、零件少的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，同時(shí)保持了發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能功能。

以上相關(guān)研究不僅為高超音速飛行器部件的制造帶來(lái)創(chuàng)新，還為3D打印技術(shù)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的視角。隨著研究的深入，預(yù)計(jì)將會(huì)為相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。