2021 年 12 月 6 日，印度國(guó)防冶金研究實(shí)驗(yàn)室 (DMRL) 的研究人員利用 3D 打印技術(shù)制造了一種升級(jí)版的燃料噴射器，可以降低地對(duì)空導(dǎo)彈的推進(jìn)成本。 該團(tuán)隊(duì)使用 PBF 3D 打印技術(shù)將三角形橫截面集成到他們的注射器設(shè)計(jì)中，這使得兩個(gè)先前組裝的組件能夠集成到一個(gè)單獨(dú)的、流量?jī)?yōu)化的設(shè)備中。工程師表示，這樣做不僅不需要使用昂貴的電子束焊接（EBW）方法，而且還創(chuàng)建了獨(dú)特的、網(wǎng)格狀的輕量化元件。

 △DMRL 團(tuán)隊(duì)拓?fù)鋬?yōu)化燃料噴射器的 3D 模型。 圖片來自印度國(guó)家工程院

印度國(guó)家級(jí)導(dǎo)彈發(fā)展戰(zhàn)略

自2009年以來，DMRL的新制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)一直在使用Optomec LENS-750系統(tǒng)用鋼、鈦和各種超合金打印導(dǎo)彈原型部件。 在此過程中，該團(tuán)隊(duì)的工程師發(fā)現(xiàn)了增材技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)航空航天生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢(shì)，尤其是在設(shè)計(jì)自由度和交付時(shí)間方面。 然而，在印度 Vikram Sarabhai 太空中心的類似推進(jìn)器項(xiàng)目取得成功后，研究人員決定放棄 DED 技術(shù)，并決定自行設(shè)計(jì)燃料噴射器。 工程師們表示，自從改用 PBF 工藝后，他們已經(jīng)能夠以不妨礙其結(jié)構(gòu)完整性和不需要支撐的方式重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有導(dǎo)彈部件。 該團(tuán)隊(duì)在論文中表示：“由于傳統(tǒng)制造業(yè)的局限性，設(shè)計(jì)師沒有太多的靈活性來實(shí)現(xiàn)更有效的設(shè)計(jì)并創(chuàng)造更輕、更堅(jiān)固的零件。他們只是被迫專門為制造而設(shè)計(jì)部件。3D打印作為一種解決方案，可以按照設(shè)計(jì)者的概念化、設(shè)計(jì)和建模來制造部件。"

△研究人員3D打印導(dǎo)彈燃料噴射器的光學(xué)微結(jié)構(gòu)圖像。 圖片來自印度國(guó)家工程院 

改造后的航天部件

在DMRL團(tuán)隊(duì)的PBF實(shí)驗(yàn)中，他們選擇重新設(shè)計(jì)一個(gè)燃料噴射器部件，該部件通常用于導(dǎo)彈或火箭的反應(yīng)控制系統(tǒng)，為它們提供高度控制。 這些零件由“噴射器”和“環(huán)形”元件以及燃料和氧化劑輸出的三個(gè)大孔組成，通常通過CNC加工和EDM生產(chǎn)，然后用EBW融合。  

 據(jù)工程師介紹，采用這種方式生產(chǎn)的設(shè)備部件大部分都會(huì)超重，這極大地影響了性能和效率，同時(shí)還必須為其復(fù)雜的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)提供支撐。 另一方面，通過改用 PBF 并采用 DfAM 方法，DMRL 研究人員能夠?qū)⑺麄?/span>的噴射器作為一個(gè)打印元件來生產(chǎn)，其新的 66.4° 橫截面使其能夠不受支撐。 在改造中，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)法升級(jí)了零件的流道，去除了低應(yīng)力區(qū)域的材料，并在底部引入了超輕網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。  

工程師們使用IN718鎳合金在EOS-M400DMLS機(jī)器在30小時(shí)內(nèi)3D打印了一個(gè)燃油噴射器的原型，然后觀察了其SEM圖像，并進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該部件具有良好的內(nèi)部空腔區(qū)域，并被證明是密集構(gòu)建的，沒有任何主要的孔隙或裂縫來削弱其結(jié)構(gòu)剛性。

 此外，在測(cè)試過程中，該裝置表現(xiàn)出 500 至 600 MPa 的抗壓強(qiáng)度，以及令人印象深刻的硬度和抗拉強(qiáng)度特性。 研究小組表示，這些特性優(yōu)于傳統(tǒng)熔煉和鑄造的N718。 因此，研究人員得出結(jié)論，他們已經(jīng)成功證明了他們基于 3D 打印的方法的可行性以及應(yīng)用于末端燃料噴射器的最終潛力。 然而，他們也表示需要對(duì)打印組件進(jìn)行更多的臺(tái)架測(cè)試，以評(píng)估其零件的功能效率。 進(jìn)一步的分析有助于確定更好的設(shè)備優(yōu)化機(jī)會(huì)。  

△美國(guó)國(guó)防機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來一直在試驗(yàn)導(dǎo)彈的3D打印技術(shù)，圖片來自美國(guó)國(guó)防部

3D 打印在火箭發(fā)射上的應(yīng)用

 隨著大尺寸金屬 3D 打印機(jī)的能力不斷擴(kuò)大，其航空航天應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大，世界各地的國(guó)防機(jī)構(gòu)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。 就在去年，在受 DARPA 委托進(jìn)行的一項(xiàng)研究后，研究機(jī)構(gòu) ASTRO Americas 提議建立一個(gè)高超音速導(dǎo)彈生產(chǎn)設(shè)施，該設(shè)施可能配備 3D 打印機(jī)。 它在美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的 3D 打印導(dǎo)彈部件項(xiàng)目中得到了 Senvol 及其機(jī)器學(xué)習(xí)軟件的幫助。 使用其專有的人工智能算法，Senvol 已簽署合同開發(fā)靈活的認(rèn)證程序，它可以應(yīng)用于任何組件或增材制造系統(tǒng)。 在其他地方，3D 打印還用于制造更廣泛的航空航天領(lǐng)域的推進(jìn)器。 Agile Space 現(xiàn)在加入了 Launcher 和 Rocket Lab 等長(zhǎng)期客戶的行列，并計(jì)劃使用增材技術(shù)來開發(fā)升級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)。  

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見他們的論文，題為 "3D Printing of FuelInjector in IN718 Alloy for Missile Applications"，該論文由Saride Ramesh Kumar、V. Srinivas、G. Jagan Reddy、M. Raghavender Rao和T. Raghu共同撰寫。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/41517.html