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美国航空航天局利用3D打印机制造火箭零件发展史

美国航空航天局利用3D打印机制造火箭零件发展史

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【摘要】:
美国航空航天局(NASA)又称美国宇航局、美国太空总署,是美国联邦政府的一个行政性科研机构,负责制定、实施美国的太空计划,并开展航空科学暨太空科学的研究。其在航空航天领域运用3D打印机制造最为成熟的航天先驱者。3D打印机使他们突破了新的边界。今天让我们一起了解在美国航空航天局内有关3D打印机在航天航空领域使用的历史以及未来的发展前景。

美国航空航天局(NASA)又称美国宇航局、美国太空总署,是美国联邦政府的一个行政性科研机构,负责制定、实施美国的太空计划,并开展航空科学暨太空科学的研究。其在航空航天领域运用3D打印机制造最为成熟的航天先驱者。3D打印机使他们突破了新的边界。今天让我们一起了解在美国航空航天局内有关3D打印机在航天航空领域使用的历史以及未来的发展前景。

 

 

为什么美国航空航天局要选择3D打印机制造航天航空零件?

美国航空航天局必须跟上最新的创新,并不断寻求火箭设计的改进。过去几年3D打印制造这项技术为美国宇航局提供了许多好处。

火箭设计中最重要的部分是如何减低部件的重量,而3D打印机正是这一问题的最佳解决方案。也是制造火箭的一个重要方面。3D打印还可以实现快速生产。利用3D打印技术进行原型设计,可以让研究人员相应地调整设计,这既节省成本,又节省时间。完美的原型可以很容易地成为最终产品,所有需要做的就是将3D打印的模型文件发送到3D打印机中即可。

 

左图:直接从3D打印机输出的引擎零件,右图:3D打印后处理完成后的零件。

上图中3D打印的高质量机械零件,耐高温可达3300°C(6000°F),甚至与火箭一样复杂。火箭零件必须是完美的。即使是最小的错误也会危及整个任务,造成绝对的灾难。美国航空航天局相信3D打印技术能够达到最高标准。

美国航空航天局3D打印的发展历程

关于美国航空航天局使用3D打印机的第一条新闻要追溯到2013年,当时他们提出了一系列问题:“什么东西能在近3300℃的高温环境下不熔化?什么东西在极端的压力下没有破裂?从生产到测试如何做到在三周的时间内完成?什么能使昂贵的火箭零件的成本降低60%或更多?

 

 

答案是利用3D打印机制造。美国航空航天局证实,对3D打印零件的测试结果表明,它们与传统制造的零部件没有区别。负责监督测试的推进工程师桑德拉·埃拉姆·格林研究了测试结果,他说:“在所有的热火测试中,两个独立的3D打印喷射器工作得很稳定。”

3D打印使美国航空航天局拥有耐用、耐热和复杂的零件。除此之外,它还将成本降低了50%以上,从每部分10000美元降低到不足5000美元。生产效率也更高,生产大约需要40个小时。

如何使用3D打印机制造火箭引擎?

美国航空航天局并没有停止使用3D打印机打印引擎零件。到2015年,他们已经开发出多个发动机零件,并一起进行了测试。他们产生了20000磅的推力!3D打印引擎经理伊丽莎白·罗伯逊(Elizabeth Robertson)评论说:“我们检测到3D打印火箭引擎制作所需的大约75%的零件。通过对涡轮泵、喷射器和阀门进行测试,我们已经证明,可以为多种用途(如登陆器、空间推进或火箭发动机的上层)建造3D打印发动机。”

美国国家航空航天局的最新消息是研发一种用于3D打印火箭推进部件的铜基合金。新开发的铜合金对美国宇航局特别有吸引力,因为它是一种强导电材料。他们已经用3D打印了燃烧室衬里和喷油器面板。

这种合金符合最高的航空航天等级标准。美国国家航空航天局的试验证明,这种材料在50%厚的层(0。045毫米)下表现更好,这使得冷却速度更快,并加快了生产时间。然后通过热等静压机对零件进行拉伸,以降低金属的孔隙率,最后将其送至后处理和室温拉伸试验。

采用铜合金3D打印机制作的零件具有良好的导热性、抗变形性和高温强度。这可以真正改变太空旅行的未来,因为我们将能够更快、更便宜地打印火箭发动机零件,而且它们将更轻,从而减少燃料的使用。

如您所见,美国国家航空航天局使用3D打印机的时间虽然只有6年多,但取得了很多突破性进展。他们的3D打印金属发动机零件可以承受超过3000°C的温度和发射过程中产生的大量应力。在未来,3D打印机在航空航天领域的应用将永不停歇!

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