3D打印液體火箭發動機? Launcher

航空航天增材制造應用發展方向

成就復雜精密的零件

Launcher E?2液體火箭發動機針對大規模生產和低成本進行了優化，3D打印助力引擎達到了令人難以置信的技術水平：成就更高性能的液氧(LOX)和煤油(RP?1)液體火箭發動機。

從一開始，E?2就被設計成最高性能的發動機在小型衛星發射器類中推力最大，推進劑最低消耗量和每磅推力的最低成本。但是像E?2這樣的創新設計需要使用同樣創新的技術。為了幫助E?2從設計過渡到完全實現的部件，Launcher在每個階段利用3D打印和增材制造(AM)開發，這有助于降低項目成本并優化其設計大量生產。

如果任何液體火箭發動機，到達軌道后，渦輪分子泵是該項目中最具挑戰性的部分之一……或者至少是挑戰的一半，用于分級燃燒的渦輪泵，由于封閉的循環，挑戰的水平會增加。

Launcher的工程師要求LOX泵的葉輪高度平衡，使其能夠以所需的30,000轉/分旋轉，在低溫條件下，同時運輸液氧。3D打印的30,000 rpm轉速旋轉的葉輪產生大約在渦輪機產生1兆瓦的電力，在這種類型環境，在4000 psi的排放壓力下，任何異常，包括轉子和定子之間的任何摩擦，都可能導致計劃外的拆卸。

? Velo 3D & Launcher

之前，為了避免使用難以移除的內部支撐，增材制造工程師被迫將葉輪傾斜一個角度以完成增材制造。這種傾斜，旨在使零件可3D打印，但通常會產生不平衡的幾何形狀，這對這種類型的組件是有害的。3D科學谷了解到雖然這種方法可能會產生一個看起來像功能性葉輪的零件，但以這種方式3D打印的金屬打印零件通常會變得拉長或不圓，并且無法在最終產品所需的公差范圍內進行平衡。

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通過Stratasys的直接制造服務，Launcher制造一個平衡良好的誘導葉輪，它將加速并驅動LOX進入燃燒室，從而產生更大的流體流動并最終為火箭提供更大的推力。

通過集成兩個獨立的零件，將誘導輪和葉輪合二為一，通過3D打印成為效率更高的零件，打印材料是INCONEL?718，是一種耐腐蝕材料，具有良好的液氧兼容性和出色的低溫下的機械強度。

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硬件與軟件的組合實力

材料的反應性越強在加工方面是另外一個挑戰，例如與航空工業首選的鈦或其他合金，由于其高強度重量比，可能的損壞就越大。這是因為氧氣和氫氣會在零件中產生高孔隙率水平，從而對強度和剛度特性產生負面影響。

因此，氣體調節很重要，因為沒有它，用戶將獲得不太完美的結果，這顯然不是航空航天等安全關鍵行業的選擇。在使用傳統系統時，調節這種惰性氣體流量以跟上激光發射過程中產生的煙灰通常是一個問題。這會導致煙灰堆積會干擾傳遞到粉末床的能量，從而導致結果不一致。

克服更常用的金屬3D打印遇到的問題，此案例中使用了Velo3D Sapphire?系統，憑借Velo3D固有的SupportFree?AM工藝，克服了與常用金屬AM增材制造技術相關的設計和制造妥協。

在取得積極成果后，零件經過了磨料流加工工藝，使流體流動順暢，還通過CNC數控進行了實現最終精度的精加工。該組件還經過熒光處理、滲透檢查和涂層以驗證達到項目規范。

像Launcher這樣的項目所面臨的部分挑戰是經歷了如此多的建模、改進和迭代的設計。借助Velo3D及其Flow? 軟件和Sapphire?3D打印機之間的協同作用，Stratasys Direct能夠通過真正的端到端增材解決方案交付這些復雜的設計。

由于在空氣動力學設計方面必須同時滿足卓越的耐用性和高溫工作的挑戰性要求，飛機硬件尤其難以通過3D金屬打印的方式來制造。VELO3D的技術能夠生產輕薄、復雜的設計部件，滿足最苛刻工作條件下的任務關鍵型應用要求。

在國內，所有的國際和國內品牌都面臨著同樣殘酷的價格競爭，用戶在決策采購3D打印設備的時候，往往忽略了功能實現才是自己最終所關注的用戶價值所在，而是將設備商的硬件參數放在一起做比較，在看似“同樣”的設備配置基礎上，往往單純的去壓低設備商的價格。這是3D打印應用端需要警醒的一個誤區，更穩定更智能的設備是創造產品的基礎，忽略設備的軟性條件，這未免也將用戶自身的制造需求引入了另外一種誤區，對產業的自身發展也是極為不利的。