透过火箭发动机核心技

3D打印液体火箭发动机© Launcher

航空航天增材制造应用发展方向

成就复杂精密的零件

Launcher E‑2液体火箭发动机针对大规模生产和低成本进行了优化，3D打印助力引擎达到了令人难以置信的技术水平：成就更高性能的液氧(LOX)和煤油(RP‑1)液体火箭发动机。

从一开始，E‑2就被设计成最高性能的发动机在小型卫星发射器类中推力最大，推进剂最低消耗量和每磅推力的最低成本。但是像E‑2这样的创新设计需要使用同样创新的技术。为了帮助E‑2从设计过渡到完全实现的部件，Launcher在每个阶段利用3D打印和增材制造(AM)开发，这有助于降低项目成本并优化其设计大量生产。

如果任何液体火箭发动机，到达轨道后，涡轮分子泵是该项目中最具挑战性的部分之一……或者至少是挑战的一半，用于分级燃烧的涡轮泵，由于封闭的循环，挑战的水平会增加。

Launcher的工程师要求LOX泵的叶轮高度平衡，使其能够以所需的30,000转/分旋转，在低温条件下，同时运输液氧。3D打印的30,000 rpm转速旋转的叶轮产生大约在涡轮机产生1兆瓦的电力，在这种类型环境，在4000 psi的排放压力下，任何异常，包括转子和定子之间的任何摩擦，都可能导致计划外的拆卸。

© Velo 3D & Launcher

之前，为了避免使用难以移除的内部支撑，增材制造工程师被迫将叶轮倾斜一个角度以完成增材制造。这种倾斜，旨在使零件可3D打印，但通常会产生不平衡的几何形状，这对这种类型的组件是有害的。3D科学谷了解到虽然这种方法可能会产生一个看起来像功能性叶轮的零件，但以这种方式3D打印的金属打印零件通常会变得拉长或不圆，并且无法在最终产品所需的公差范围内进行平衡。

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通过Stratasys的直接制造服务，Launcher制造一个平衡良好的诱导叶轮，它将加速并驱动LOX进入燃烧室，从而产生更大的流体流动并最终为火箭提供更大的推力。

通过集成两个独立的零件，将诱导轮和叶轮合二为一，通过3D打印成为效率更高的零件，打印材料是INCONEL®718，是一种耐腐蚀材料，具有良好的液氧兼容性和出色的低温下的机械强度。

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硬件与软件的组合实力

材料的反应性越强在加工方面是另外一个挑战，例如与航空工业首选的钛或其他合金，由于其高强度重量比，可能的损坏就越大。这是因为氧气和氢气会在零件中产生高孔隙率水平，从而对强度和刚度特性产生负面影响。

因此，气体调节很重要，因为没有它，用户将获得不太完美的结果，这显然不是航空航天等安全关键行业的选择。在使用传统系统时，调节这种惰性气体流量以跟上激光发射过程中产生的烟灰通常是一个问题。这会导致烟灰堆积会干扰传递到粉末床的能量，从而导致结果不一致。

克服更常用的金属3D打印遇到的问题，此案例中使用了Velo3D Sapphire®系统，凭借Velo3D固有的SupportFree™AM工艺，克服了与常用金属AM增材制造技术相关的设计和制造妥协。

在取得积极成果后，零件经过了磨料流加工工艺，使流体流动顺畅，还通过CNC数控进行了实现最终精度的精加工。该组件还经过荧光处理、渗透检查和涂层以验证达到项目规范。

像Launcher这样的项目所面临的部分挑战是经历了如此多的建模、改进和迭代的设计。借助Velo3D及其Flow™ 软件和Sapphire®3D打印机之间的协同作用，Stratasys Direct能够通过真正的端到端增材解决方案交付这些复杂的设计。

由于在空气动力学设计方面必须同时满足卓越的耐用性和高温工作的挑战性要求，飞机硬件尤其难以通过3D金属打印的方式来制造。VELO3D的技术能够生产轻薄、复杂的设计部件，满足最苛刻工作条件下的任务关键型应用要求。

在国内，所有的国际和国内品牌都面临着同样残酷的价格竞争，用户在决策采购3D打印设备的时候，往往忽略了功能实现才是自己最终所关注的用户价值所在，而是将设备商的硬件参数放在一起做比较，在看似“同样”的设备配置基础上，往往单纯的去压低设备商的价格。这是3D打印应用端需要警醒的一个误区，更稳定更智能的设备是创造产品的基础，忽略设备的软性条件，这未免也将用户自身的制造需求引入了另外一种误区，对产业的自身发展也是极为不利的。