近年來，美國軍方一直是增材制造最熱衷的采用者之一。 就在近日，總部位于美國加利福尼亞州長灘的Relativity Space 還與美國空軍研究實驗室 (AFRL) 簽訂了一份價值 870 萬美元的合同，以探索增材制造中的實時缺陷檢測。
從海軍的潛艇部件到陸軍的3D列印營房和車輛外殼，不乏美國武裝部隊因速度和靈活性而轉向3D列印的例子。 現在，美國空軍研究實驗室 (AFRL) 最近宣布，已經設計、列印并熱測試了首個使用雷射粉末定向能量沉積3D列印制造的單塊火箭發動機推力室。
▲ 點火測試
© AFRL
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當傳統制造技術無法滿足要求時，3D列印技術為其開辟了一條全新的道路。3D列印技術以其能夠快速制備具有高材料性能、異形結構、整體特性的零部件特點，在高超聲速飛行器及火箭等相關領域得到了愈發廣泛的應用。
長三角G60雷射聯盟陳長軍
嵌入強大的數字環境中
對于AFRL的項目，專家們應用雷射粉末定向能量沉積(DED) 3D列印技術來建構腔室，近年來，火箭發動機是增材制造技術快速采用的領域。NASA尤其一直在引領這一潮流，例如，2023年，NASA馬歇爾太空飛行中心還進行了3D列印噴管的熱火測試，該噴管由新型鋁合金 6061-RAM2 制成，可承受巨大的溫度梯度。這種噴管比傳統噴管更輕，為可攜帶更多有效載荷的深空飛行奠定了基礎。Ursa Major 和 Relativity Space 等私營公司也取得了巨大進步。
為了3D列印火箭發動機，AFRL的火箭推進部門一直在與美國航天工業的其他參與者合作。AFRL的想法是将先進的增材制造技術嵌入到強大的數字工程環境中，不僅顯示了3D列印技術在火箭制造方面日益重要的重要性，還将進一步推動該技術走向成熟發展。
DED粉末能量沉積增材制造技術的采用也并非偶然，該技術可以為火箭推進器制造迄今為止最大的建構箱體積，能夠列印七英尺（約210厘米）高的零件，這比雷射粉末床熔融（LPBF）增材制造技術等技術可以制造的體積大得多。此外，DED粉末能量沉積增材制造技術還可以減少粉末投資并減少材料浪費。工程師還可以實時實作多合金結構的合金混合，以利用下一代超級合金的強度、重量和性能優勢。
▲ 國防領域的增材制造
© 3D科學谷白皮書
DED粉末能量沉積增材制造技術這些獨特的功能能夠處理複雜的發動機設計，需要更少的疊代，并充分發揮3D列印可以進行産品的形狀優化優勢，采用更輕質的材料例如先進的金屬合金和複合材料進行快速制造。
定向能量沉積增材制造技術，允許整個推力室總成（TCA）在火箭推力室噴管的制造過程中一次性形成所有的内部冷卻通道，進而無需進行封閉操作，這樣的好處是明顯的，不僅可以顯着減少零件和焊接操作，并使得整個推力室總成（TCA）更加可多次利用。
3D科學谷
DED粉末能量沉積增材制造技術又可以與工業4.0 中常見的其他技術相結合，包括人工智能、機器學習、數字孿生、3D掃描和CAD計算機輔助設計。這些不同技術的內建将有助于火箭發動機硬體從傳統制造方法向自動化制造技術的轉變。
事實上，AFRL正在确認通過管理3D列印的數字環境對于管理零件生産品質的保證。其中包括輕質推力室、歧管、噴油器、壓力容器、閥門和渦輪機械葉片，這些部件采用增材制造技術制造，可實作傳統工藝不易實作的形狀和複雜内部特征。
DED走向成熟
根據長三角G60雷射聯盟陳長軍的市場觀察，進入上升發展期的DED粉末能量沉積增材制造技術呼喚材料開發、實時品質控制以及檢測認證标準的配合。
國際上，亞琛工業大學正在推動一種靈活的材料設計方法，其特點是計算機輔助和實體合金篩選的結合。研究人員使用最先進的增材制造技術，例如雷射粉末床熔融和（高速）雷射金屬沉積。通過遵循複雜的內建計算工程（ICME）方法內建多尺度材料模拟和實驗，可以對新型合金有更深入的基礎了解，研究活動中還探索了進一步的機器學習方法。
此外，針對DED技術本身的加工精度，火箭推進器噴管的薄壁結構需要具有特定光束品質的雷射源，以産生直徑極小的光束。Fraunhofer ILT雷射研究所在這一領域特别強大，因為研究所内部擁有各種雷射源和光學配置，可以根據具體應用進行調整。
而在高通量方面，亞琛推出了新的高速 DED-LB 雷射能量沉積工藝，稱為極高速雷射應用（進一步稱為 HS-DED，以差別于傳統 DED-LB，由亞琛工業大學和德國 Fraunhofer ILT 弗勞恩霍夫雷射技術研究所開發)，HS-DED也是一種DED工藝，與DED-LB相比，粉末的熔化獨立于熔池，允許高達 200 m/min的高加工速度，并且粉末的混合獨立于熔池動力學和偏析過程。預期的優點是過程中元素粉末的均勻混合以及高通量樣品生産的可能性。
可以見得，在國際頂級科研機構的推動下，DED粉末能量沉積增材制造技術将突破自身發展瓶頸，獲得更多可适用的加工材料、更高的加工精度、更高的加工效率成為一種發展趨勢。而這一發展趨勢的确立使得DED粉末能量沉積增材制造技術獲得更廣的發展空間。
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國内方面，西安增材制造國家研究院有限公司主持的國家标準GB/T 43614-2023《增材制造 金屬粉末定向能量沉積裝置雷射熔覆頭測試方法》于2023年12月28日正式釋出，并且立即實施。此外，國内的科研機構也展開了各方面的研究工作。(延伸閱讀：中國航發等 l DED定向能量沉積增材制造钛合金工藝近期研究）
來自：3D科學谷
長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載
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