本文試圖深度解析NASA與DM3D Technology合作完成的具有里程碑意義的大型金屬增材制造火箭發(fā)動機(jī)噴管里襯項(xiàng)目，分享技術(shù)和應(yīng)用細(xì)節(jié)。
在航天工業(yè)高速發(fā)展的今天，推進(jìn)系統(tǒng)的制造效率與成本控制始終是制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
特別是在商業(yè)航天蓬勃發(fā)展的背景下，如何快速、經(jīng)濟(jì)地制造大型火箭發(fā)動機(jī)核心部件，成為擺在每個航天企業(yè)面前的重要課題。
NASA聯(lián)合DM3D Technology算是DED送粉的經(jīng)典案例 — 使用創(chuàng)新的大型金屬增材制造設(shè)備成功制造了RS-25火箭發(fā)動機(jī)的噴管襯里。
這個高度達(dá)10英尺（約3米）、直徑8英尺（約2.4米）的大型金屬構(gòu)件的DED3D打印成功制造。
為什么這個項(xiàng)目如此重要？
在深入技術(shù)細(xì)節(jié)之前，我們需要理解這個項(xiàng)目的重要性。
RS-25發(fā)動機(jī)是NASA太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的核心動力，被用于推動"阿爾忒彌斯"登月計(jì)劃。
其噴管襯里是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)上依賴鍛造或旋壓等工藝制造，不僅周期長，成本高，而且難以快速迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。
讓我們看看當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)的尺寸現(xiàn)狀：
通過上圖的總結(jié)分析可以看到，目前主流的金屬3D打印技術(shù)都面臨著尺寸限制。
按圖中所示，粉末床熔融（PBF）技術(shù)的最大制造尺寸僅為32"×16"×20"（約813mm×406mm×508mm），尺寸有限，當(dāng)然對于NASA來說，接觸到國內(nèi)的大型過米級的鋪粉設(shè)備機(jī)會很少，本文暫不討論用PBF生產(chǎn)此類大型火箭噴管。
而電子束沉積（EB-DED）雖然可以達(dá)到96英寸直徑×48英寸高度（約2438mm×1219mm），甚至更大，但在材料選擇上仍有明顯局限。
電子束和電弧焊接基技術(shù)雖然具有較高的沉積效率，但其較大的熱輸入會導(dǎo)致嚴(yán)重的變形問題，同時也限制了其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面的應(yīng)用。
這些限制使得大型航天部件的增材制造一直停留在理想階段。
突破性技術(shù)：DMD/DED多噴嘴系統(tǒng)的創(chuàng)新
針對這一挑戰(zhàn)，和NASA合作的DM3D開發(fā)多噴嘴協(xié)同系統(tǒng)。
從上圖可以清晰地看到這套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：
9軸運(yùn)動系統(tǒng)搭配雙5kW光纖激光處理頭，實(shí)現(xiàn)了120英寸（約3048mm）直徑、120英寸（約3048mm）高度的超大工作空間。
每個工作頭最高90g/min的送粉效率配合±45°可傾斜的設(shè)計(jì)，為大尺寸懸臂結(jié)構(gòu)的制造提供了可能。
AM易道認(rèn)為，這套系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵不在于其突破性的尺寸能力，更重要的是能否解決大型件制造中的幾個關(guān)鍵技術(shù)難題：熔池控制、殘余應(yīng)力管理以及工藝穩(wěn)定性保證。
其聲稱，通過閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型構(gòu)件制造過程中的精確控制。
系統(tǒng)采用FANUC多軸控制器來確保所有運(yùn)動軸的精確同步，這在大型構(gòu)件制造中起著決定性作用。
特別值得一提的是預(yù)熱送粉系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)：通過對送粉氣流進(jìn)行預(yù)熱，不僅提高了粉末的沉積效率，更重要的是有效預(yù)防了成型過程中的氣孔形成。
這種設(shè)計(jì)充分考慮了大型構(gòu)件制造過程中材料性能的穩(wěn)定性需求。
RS-25噴管襯里的制造突破
在確定了設(shè)備方案后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇了JBK-75不銹鋼作為噴管襯里的制造材料。
這是一種可時效強(qiáng)化的超級合金，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高溫強(qiáng)度和抗氫脆性，特別適合火箭發(fā)動機(jī)熱端部件的應(yīng)用。
JBK-75是一種源自A-286的鐵鎳基衍生合金，作為一種高性能材料在航空航天推進(jìn)系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用。
這種合金最初是由NASA專門為推進(jìn)系統(tǒng)部件開發(fā)的，特別適用于燃料噴射器等需要在高溫、腐蝕性環(huán)境下工作的關(guān)鍵部件。
該材料的突出特點(diǎn)在于：
優(yōu)異的高溫性能
出色的抗腐蝕性能
卓越的抗氫脆性
良好的力學(xué)性能和加工性能
在增材制造領(lǐng)域，NASA馬歇爾航天飛行中心（MSFC）已經(jīng)成功開發(fā)出了JBK-75的LPBF粉末床熔融工藝參數(shù)。
通過精確控制激光功率（147W）、掃描速度（600mm/s）和掃描間距（85μm），實(shí)現(xiàn)了99.6%的致密度。
這為該材料在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
NASA
工藝參數(shù)的開發(fā)采用了系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法。
從金相分析結(jié)果來看，優(yōu)化后的工藝不僅實(shí)現(xiàn)了極低的孔隙率（<0.2%），更形成了理想的柱狀枝晶組織結(jié)構(gòu)。
這種組織特征對于承受高溫、高壓、氫環(huán)境的火箭發(fā)動機(jī)部件來說至關(guān)重要，它不僅提供了良好的力學(xué)性能，更確保了結(jié)構(gòu)的均勻性和可靠性。
在制造策略的選擇上通過上面兩張圖的對比可以看到，團(tuán)隊(duì)使用ANSYS增材制造仿真軟件對喇叭口朝下和朝上兩種制造方案進(jìn)行了詳細(xì)分析。
雖然喇叭口朝上的方案在后期加工和測量方面具有一定優(yōu)勢，但仿真結(jié)果清晰地表明，喇叭口朝下的制造方案能夠顯著降低構(gòu)件的變形量。
這一發(fā)現(xiàn)為最終的工藝方案選擇提供了重要依據(jù)。
實(shí)際制造過程中的創(chuàng)新同樣令人印象深刻。
從上圖中可以看到雙噴頭同步工作的場景，這種工藝方案不僅將沉積效率提升到了6-7磅（約2.72-3.18千克）/小時。
更重要的是通過優(yōu)化的熱輸入控制，確保了大型構(gòu)件制造過程中的溫度場均勻性。
75-78%的高粉末利用率不僅體現(xiàn)了工藝的成熟度，也為未來的工程化應(yīng)用奠定了經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。
最終完工的構(gòu)件重達(dá)4100磅（約1860千克），連同2000磅（約907千克）的底板，總重量達(dá)到6100磅（約2767千克）。
質(zhì)量控制同樣采用了最先進(jìn)的方案。
使用Hexagon Metrology的StereoScan neo R16 – FOV 850三維掃描系統(tǒng)進(jìn)行了高精度檢測，如下圖所示。
系統(tǒng)采集了超過650萬個三角面片（約2000萬個點(diǎn)）的數(shù)據(jù)，通過與原始CAD模型的對比，實(shí)現(xiàn)了全尺寸的精度驗(yàn)證。
這種高精度的檢測手段目前幾乎是航空航天界的標(biāo)配，為大型金屬構(gòu)件的增材制造提供了可靠的質(zhì)量保證方案。
技術(shù)應(yīng)用前景分析
AM易道認(rèn)為，大型金屬產(chǎn)品的3D打印一直以來是DED的戰(zhàn)場，雖然近年來，SLM技術(shù)的打印尺寸越來越大，但是成本和效率來講，DED仍具備核心優(yōu)勢。
至于DED是送粉還是送絲，采用什么樣的能量源，目前業(yè)界尚未由明確的路線勝出，需要根據(jù)應(yīng)用的具體性質(zhì)而評判各細(xì)分方案的優(yōu)劣。
以本文的DED送粉技術(shù)來說，除了RS25發(fā)動機(jī)，SpaceX的猛禽和梅林發(fā)動機(jī)、Blue Origin的BE-4和BE3/BE3U發(fā)動機(jī)、Virgin Orbit的Newton 3和Newton 4發(fā)動機(jī)等多個重要項(xiàng)目都在評估采用這一技術(shù)。
在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，大型機(jī)匣和渦輪部件的制造同樣可以受益于這項(xiàng)技術(shù)。國防工業(yè)中的大型武器系統(tǒng)組件、能源行業(yè)的渦輪機(jī)葉片和壓力容器、海洋工程中的特種部件，都是這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。
寫在最后
展望未來，DED的大型金屬3D打印應(yīng)用發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。工藝的進(jìn)一步優(yōu)化、材料體系的拓展、智能化控制的提升，比起LPBF金屬打印仍有不小的差距，這都是未來需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。但從底層邏輯來說，AM易道認(rèn)為，隨著商業(yè)航天活動的日益頻繁，大型金屬構(gòu)件的增材制造技術(shù)需求旺盛。且只要夠大，仍離不開DED，很難期待每個航空航天用戶都能用得起米級甚至兩三米級的SLM設(shè)備。
但從底層邏輯來說，AM易道認(rèn)為，隨著商業(yè)航天活動的日益頻繁，大型金屬構(gòu)件的增材制造技術(shù)需求旺盛。且只要夠大，仍離不開DED，很難期待每個航空航天用戶都能用得起米級甚至兩三米級的SLM設(shè)備。
