普渡大學(xué)開發(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。目標是大規(guī)模3D打印這些部件，以提高效率和性能。這項研究是國防部制造科學(xué)技術(shù)計劃辦公室資助的五個項目之一，旨在實現(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這些材料以用于3D打印。這項技術(shù)允許打印出表面光滑、精度達到微米級別的復(fù)雜設(shè)計和幾何圖形，這對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法有效穿透，從而限制了固化深度。這直接影響到制造每個部件所需的時間。為解決這一問題，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)的試驗臺，不斷調(diào)整材料屬性和進行表面改性，以提升性能并優(yōu)化打印過程�！�

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)分層和開裂等問題。因此，Trice、Thompson和Crump正在努力消除這些潛在問題，確保從小型到大型打印機的平滑過渡不會對部件造成損害。

Thompson強調(diào)：“我們的目標是找到解決方案，無論是建立生產(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)時能夠節(jié)省時間。”

△2023年，普渡大學(xué)應(yīng)用研究所耗資4100萬美元在校園內(nèi)開設(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)動機原型

雖然，這項研究未詳細說明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)成功開發(fā)出高超音速發(fā)動機的原型。

去年3月份，PARI的研究團隊宣布，他們成功利用3D打印技術(shù)開發(fā)出全尺寸超音速燃燒沖壓發(fā)動機（scramjet）原型機。該發(fā)動機能夠支持飛機以超過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打印原型機的開發(fā)得益于PARI高超音速先進制造技術(shù)中心（HAMTC）的創(chuàng)新設(shè)計和制造工藝。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打印機進行大規(guī)模金屬制造。通過這種先進的3D打印技術(shù)，團隊能夠制造出具有復(fù)雜幾何形狀和重量輕、零件少的發(fā)動機部件，同時保持了發(fā)動機的高性能功能。

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