国外3D打印技术在该领域的应用较国内更为成熟,三、德国MTU在航空发动机业务上力推3D打印技术

来源:未知作者:产品展示 日期:2020/04/28 14:52 浏览:

摘要:航空航天是引领、带动新材料、新工艺发展的先锋领域。严格来讲,航空航天分为“航空”和“航天”两个领域,航天业主导的是宇宙航天器,航空业主导的是航空运输及通用航空。    航天的基本条件是航天器必须达到足够的速度,摆脱地球或太阳的引力,这就要求航天器朝着轻量化、结构坚固的方向发展;航空以运人载物为主,在如今这样一个能源价格飞涨的时代,节能降耗非常重要,而要节能降耗,减少飞机重量同样重要,另外还有安全性方面的需求。    NASA运用3D打印定制航天器    鉴于美国航空航天局(NASA)高度定制化的航天器和仪表元器件,增材制造,或3D打印技术,在NASA中的应用可谓水到渠成。眼下,NASA主要在冷却、包装和屏蔽电子的物体上使用3D打印技术。例如,这个电池盒(见下图)是使用热塑性聚醚(PKK)3D打印的。这个电池盒是首个3D打印组件,现在已经进入太空。  航空航天领域“3D定制化”优势颇多  3D打印技术也被用于开发普通定制的电子仪器包即MINIEPack。据天工社了解,该设备把多种重要的功能如数据处理、电源、数字化、控制、数据处理和放大等集成为一个单一的3D芯片或芯片组。    3D打印航空航天装备制造优势颇多    对比传统制造方式,3D打印在航空航天装备制造方面优势颇多。首先,航空航天装备关键零部件的外形和内部结构通常较为复杂,铸造、锻造等传统制造工艺难以精准加工,而3D打印的加工过程则不受零件复杂程度所限;其次,航空航天装备对材料的性能和成分要求十分严苛,3D打印技术可以轻松地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工材料,且3D打印加工过程中对材料的利用相对充分,可以显著降低制造成本;再次,3D打印成型后的近件已十分接近成品要求,不需或仅需少量后续加工,可有效缩短零部件生产周期,满足航空航天产品的快速响应需求。    此外,在航空航天领域,重大装备造价昂贵,如果使用过程中出现零部件损坏或零件尺寸不合要求等问题,将造成很大经济损失。此时,利用3D打印技术修复零部件破损部分,使整体装备快速投入使用,是不错的选择。    国内外在此领域的研究屡有突破    国内方面,中国航天科技集团公司与上海航天技术研究院联合研制出一款多激光3D打印机,目前已成功打印出卫星星载设备的光学镜片支架、飞机研制过程中用到的叶轮等构件。这些构件有的形状极其不规则,有的微小而复杂,如果采取传统加工技术,不仅造价昂贵、废品率高,甚至难以加工生产。而这台3D打印机很快就能打印出来。国外方面,美国航空航天和军火承包商AerojetRocketdyne日前成功完成MPS-120CubeSat(MPS-120)高冲击可适应模块推进系统的点火试验,这意味着3D打印的肼集成推进系统将可为微型CubeSat卫星提供动力。    相比之下,国外3D打印技术在该领域的应用较国内更为成熟,但毋庸置疑,航空航天产业对3D打印技术的提振作用却是放之四海而皆准的。 (来自:中国塑料机械网)

目前,3D打印技术已成为提高航天器设计和制造能力的一项关键技术,其在航空航天领域的应用范围不断扩展。国内外企业和研究机构利用3D打印不仅打印出了飞机、导弹、卫星、载人飞船的零部件,还打印出了发动机、无人机、微卫星整机,在成本、周期、重量等方面取得了显著效益,充分显示了3D打印技术在该领域的应用前景。下面,OFweek3D打印网小编将和大家一起分享2016年3D打印在航空航天领域应用的十大热点案例。

(原标题:NASA开辟技术新天地 3D打印火箭发动机零件)

据了解,在没有空间在轨3D打印制造技术前,空间站需要准备和储存备用零部件用于维修和更换,如果缺乏备用件,只能通过货运飞船运抵空间站,时间长,花费高。段宣明教授说,空间3D打印制造技术的打印速度为1030毫米/秒,可以在一到两天内打印出需要更换的零部件,且适用于绝大部分零部件,在空间站运营、深空探测等任务中有不可或缺的作用,能方便、快捷地帮助宇航员在失重环境下自制所需的实验和维修工具及零部件,大幅度提高空间站实验的灵活性和维修的及时性,减少空间站备品备件的种类、数量及运营成本,降低空间站对地面补给的依赖性。

中科院福建物构所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术,并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影 3D打印机。该3D打印机的速度达到了创记录的600 mm/h,可以在短短6分钟内,从树脂槽中拉出一个高度为60 mm的三维物体,而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺(SLA)来打印则需要约10个小时,速度提高了足足有100倍!

一、GE推出3D打印零件占35%的航空飞机发动机 近日,GE用验证机对35%的3D打印零部件进行了验证,目的在于希望能将3D打印技术应用在飞机涡轮螺旋桨发动机的研发中,为Cessna Denali飞机的建造而服务。 据了解,为了验证飞机涡轮螺旋桨部分的可用性,GE开发了一款技术验证机a-CT7。随着a-CT7试验的成功,Cessna Denali将成为有史以来使用3D打印零部件最多的一架飞机。通过以往传统制造方法所需的855个零部件将在3D打印技术的帮助下减少到12个部分,占到了总零件数的35%。而这些3D打印零部件包括油箱、轴承座、排气架、燃烧室、热交换器和固定流道组件等。 据悉,1,240SHP ATP将作为新的涡轮螺旋桨应用在1000-1600 SHP系列商业通用航空飞机中,并计划于2017年年底正式上空。 二、欧洲最大的3D打印卫星部件通过质量验证 日前,意大利泰雷兹阿莱尼亚宇航公司与3D打印服务公司Poly-Shape合作,使用金属3D打印技术为韩国通信卫星Koreasat 5A和 Koreasat-7制造出了天线支架,并成功地通过了泰雷兹公司进行的动态测试。 据了解,这两颗卫星的天线支架也是迄今为止在欧洲使用基于粉末床的激光熔融金属3D打印技术打造的尺寸最大的卫星部件。该支架的尺寸为450205390毫米,但重量仅为1.13公斤,这两家公司称之为巨大的轻量级部件。 三、德国MTU在航空发动机业务上力推3D打印技术 近日,德国MTU公司称,将在航空发动机业务上力推3D打印技术。3D打印技术可以帮助航空制造商减少工装模具的使用,在生产少量样件时,设计也可以更加灵活,这使得生产零部件的固定投入成本大幅下降。据了解,世界上最大的飞机租赁公司WizzAir、德国Germania航空、瑞典公司Rockton、以色列Arkia航空公司和印尼Kalstar航空公司以及俄罗斯的伏尔加第聂伯集团等纷纷进行订购。截至目前,全世界有30%的民航客机采用MTU供应的部件。 四、Sonaca与FMAS合力打造3D打印钛金属航空航天部件 最近,比利时航空航天公司Sonaca宣布与法国Fives-Michelin Additive Solutions公司合作,为航空航天行业开发和制造3D打印的钛合金零件。通过此次合作,两家公司都希望确立自己在航空航天领域金属增材制造领导者的地位。更具体地说,两家公司希望能够将Sonaca在航空航天领域的经验与FMAS公司的增材制造技术结合起来,为客户提供优化而专业的3D打印制造选项。 五、我国实现3D打印长征五号火箭捆绑支座 近日,中国航天科技集团公司一院211厂利用激光同步送粉3D打印技术成功实现了长征五号火箭钛合金芯级捆绑支座试验件的快速研制,这是激光同步送粉3D打印技术首次在大型主承力部段关键构件上应用。该产品的试制成功对拓展3D打印技术在箭体结构制造领域的应用、丰富大型难加工金属结构件研制技术手段具有重要意义。 据悉,捆绑支座为运载火箭主承力构件,综合力学性能要求高,目前主要采用加工性能较好的高强钢,通过锻造再机加的方式成形。但这一加工方式存在材料去除量大、加工周期长等问题。 六、美宇航局成功测试3D打印的液态甲烷涡轮泵 日前,美国宇航局成功测试了一个以液态甲烷为燃料的3D打印火箭发动机 涡轮泵。科学家们认为,液态甲烷是NASA登陆火星计划中航天器的理想发动机推进剂。 据称,涡轮泵的结构非常复杂,因为它需要通过涡轮的快速旋转来驱动泵,并由后者向发动机供应燃料轮。除此之外,NASA还在2015年完成了氢涡轮泵组件测试和液氢/液氧实验机的测试。这些测试以及火箭发动机的喷油嘴和其它部件的制造和测试为推进复杂火箭发动机的3D打印、更高效地制造未来的航天器铺平了道路。 七、空客3D打印燃料喷嘴正式投入使用 2016年4月,欧洲飞机制造商空客公司收到了他们的下一代空中客车A320neo客机的LEAP-1A发动机,这是他们正式将使用3D打印的合金燃料喷嘴用于飞机引擎上。这些3D打印的部件在LEAP-1A发动机上最显著的特征是降低碳排放水平,同时还能节省约百分之15以上的燃料。这是迄今为止规模最大、增长最快的航空市场之一,预计将有2034架新客机使用LEAP-1A发动机。 八、美军机首次试用3D打印 日前,美国海军成功完成了对使用3D打印关键部件的MV-22B鱼鹰倾转旋翼机的首次试飞。据称,这套3D打印的组件是将鱼鹰发动机舱固定到主翼结构上的四套部件之一。领导3D团队的莉兹麦克迈克尔将此次试飞称为伟大的第一步和游戏规则改变者,这将彻底改革美军修理战机的方式,并开发新的功能。 九、Safran推出全球首个3D打印喷气发动机 Safran作为法国航空航天领域的最大的制造商之一,其刚刚与澳大利亚Amaero工程公司和莫纳什大学签署了一项合作伙伴协议,即在有限的空间内3D打印航空航天部件,包括喷漆发动机的燃气轮机。 Safran是一家专注于航空航天、国防安全的制造商,其拥有7万多名员工,并且其在去年的销售收入达到了174亿欧元,是欧洲航空航天制造业中最大的企业之一。他们以民用和军用飞机、导弹和目标无人机的创新涡轮喷气发动机而闻名,现在,该公司准备在新的计划里加入3D打印这一新兴技术。 十、航天发动机涡轮轴转子首次实现3D打印 近日,31所与西北工业大学联合承担的国家某3D打印制造技术推广应用项目《激光选区熔化成形技术》,顺利通过现场测试验收。该项目在国内首次实现了3D打印技术在转子类零件上的应用,研究成果也推广应用到航天发动机其它关键零部件的研制,突破了复杂异型薄壁轴承座、中空薄壁主动冷却喷管与细长薄壁内流道喷嘴等产品的制造技术瓶颈,实现发动机关键结构的快速制造,显着提升了航天发动机综合性能。 小编总结:与传统制造方式相比,3D打印技术不仅可大幅度降低生产成本,还突破了传统制造工艺对于复杂形状的限制,它带来的是生产加工观念的革命性转变,对推动全球航空航天领域的发展起到了重要作用。未来,我们期待3D打印在航空航天领域的应用更上一层楼! 关键词:3D打印

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关键词:增材制造3D打印

第三,显著节约昂贵的战略金属材料。航空航天器由于对高性能的需求,需要大量使用钛合金和镍基超合金等昂贵的高性能、难加工的金属材料。但很多零件的材料利用率非常低,一般低10%,有时甚至于仅为2%-5%。大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑,同时伴随着极大的机械加工量。作为一种高性能近净成型技术,金属3D打印高性能增材制造技术可以把高性能金属零件制造的材料利用率提高到60%-95%,甚至更高,同时也就显著减少了机械加工量。

据了解, 华中科技大学武汉光电国家实验室教授曾晓雁领导的激光先进制造研究团队,在国家863和自然科学基金项目等资助下,经过十年的长期努力,在SLM成形理论、工艺和装备等诸多方面取得了重要成果,特别是突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈。此前,我国在SLM技术领域与国际先进水平相比有较大差距,大部分装备依赖进口。项目率先在国际上提出并研制出成形体积为500500530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造装备,它由4台500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成形,成形效率和尺寸迄今为止同类设备中世界最大。

做为先进制造技术的代表,增材制造在我国高端产品的研发领域拥有不少不可磨灭的功绩。随着我国3D打印技术的不断发展,在高端工业领域的应用也逐渐增多,如航空部件的加工制造,工业级产品的设计制造以及核工业等领域的各类应用成果,都凸显了我国增材制造技术正在迈向一个新的台阶!

长期以来,美国在航空航天大推力发动机技术方面需要向俄罗斯弯腰。最近,美国联合发射联盟公司宣称,美国进口俄制RD-180发动机已有15年的历史,期间从来没有发生过供应链中断问题,在世界航天领域被视为国际合作典范。虽然该发动机性能可靠、价格便宜、供货稳定,但事关美国国家安全的发射任务却依赖俄罗斯的发动机,一直都是美国政府的隐忧。随着乌克兰局势持续紧张,美国不断升级制裁措施。俄罗斯也不示弱,一度借威胁禁止俄制RD-180发动机用于美国航天发射任务来回击美国制裁。

未来这种大型3D打印技术最主要的应用就是在发动机关键金属部件上使用,比如航空发动机的叶片,航天火箭燃料泵的涡轮等加工要求精度高,加工复杂的金属件上。一次性高精度成型,无论是样品试制的时间或者直接量产时间都会成倍的缩短。尤其是现在航空航天设备都要求轻量化、可靠性要求高,寿命要长、成本更低的方向发展,所以这种大型3D打印设备的应用空间非常广泛。这回中国攻克3D激光打印技术,全称为大型金属零件高效激光选区熔化增材制造装备,其实是一种采用自动铺金属粉末堆叠后使用激光融化后再成型技术,简单的说就是类似于玩蜡烛一样。加工精度高,后期不需要过度加工,所以广受国际上新材料领域的追捧,不过大家也都清楚的了解到这种技术在制造大型设备领域存在成型效率低,成型尺寸小的缺陷,所以谁能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技术,谁就可以获得领先地位。

在传统发动机领域,俄罗斯确实是中国师傅辈,但是在新型材料和制造技术领域,俄罗斯却一直是个短板,尤其是3D打印领域,俄罗斯一直没有把它列为国家战略。所以俄罗斯很多有技术积累的公司都主动和中国展开技术合作。当听说中国把3D打印技术列为国家战略后,甚至相当迫切的直接找上门来跟中国在这些领域建立联合实验室开发研究。此次俄罗斯总统普京在访华行程中,就会有关于新型制造业的合作讨论,有充分理由相信大型3D金属打印技术也会列入此番合作意向中,很有可能会实现中国制造对俄再出口,这无疑将会是继船用发动机、大型补给设备后另一项突破性进展。

这种具有复杂内部几何特征的小通道对NASA增材制造团队带来挑战。马歇尔太空飞行中心材料与加工实验室采用其选择性激光熔融设备融合了8255层铜合金粉末,在10天零18小时的时间内制造了燃烧室内衬。在制造燃烧室内衬之前,材料工程师建造了几个其他试验件,对材料进行了表征,且设计创造了铜合金增材制造工艺。铜合金具有极好的导热性,这也是铜合金作为发动机燃烧室及其他零件内衬理想材料的原因。然而,这种属性却为铜合金增材制造带来挑战,因为激光很难连续熔化铜合金粉末。

中科院重庆研究院与中科院空间应用中心近日共同研制成功我国首台空间3D打印机,并于日前在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验,其可打印最大零部件尺寸超过美国国家航空航天局(NASA)3月26日运至国际空间站的升级版3D打印机打印尺寸。记者在中科院重庆研究院看到,一台保险箱大小的3D打印机,打印出不同类型的零部件,包括扳手、螺帽、连接杆等。无论如何倾斜,这台空间3D打印机都能正常工作。

领跑全球:武汉造最大激光3D打印设备

目前,仅有少量铜合金火箭零件的可采用增材制造技术来制造。因此,NASA正在通过3D打印一个火箭零件来开辟技术新天地,这一组件必须经受极端高温和低温,且具有复杂的冷却通道,该通道是建造在内壁厚度为铅笔斑痕的外部上的。该零件是由NASA格伦研究中心的材料科学家创造的GRCo-84铜合金建造而成。格伦研究中心广泛的材料表征有助于验证3D打印的工艺参数,确保建造质量。格伦研究中心将开发材料机械性能的广泛数据库,用于指导未来的3D打印火箭发动机设计。

目前欧美国家已经开始试验使用3D金属打印技术来打印发动机叶片的工艺,不过受制于效率问题,只是处于试验阶段尚未拖入量产,这正是中国可以大有作为的领域。由于中国在大功率激光器领域具备国际领先优势,所以在核心部件上不存在被人制约的情况。而且打印所需的钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金粉末都可以完全自主国产,所以中国在3D金属打印领域取得了相当大的成绩。现在国产的火箭发动机、运载火箭、卫星、导弹、20多个号产品上都有中国3D金属打印产品。

该技术成功融合了激光3D打印与梯度结构复合制造两种工艺,解决了传统连接方式带来的增重、密封性差和结构件整体强度刚度低等问题,为具有温度梯度结构的开发设计与制造开辟了新的研制途径;同时,开创了一种异种材料间非传统连接的制造模式,实现了结构功能一体化零部件的设计与制造。