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增材制造在航空航天制造中的應用

返回列表 發布日期:2022-05-30 17:08:45

  近幾年來,增材制造在全球范圍內迅速走熱,各國對于增材制造技術又開始重新重視起來,美國總統奧巴馬將其視作制造業回歸升級的重要方向,中國也在金屬增材制造領域一直處于世界領先水平。隨著技術不斷的進步,增材制造已經在航空航天、模具以及汽車等領域獲得大規模應用,而走在應用前列的當屬美國NASA。


  據美國國家航空航天局(NASA)官網近日報道,NASA工程人員正通過利用增材制造技術制造首個全尺寸銅合金火箭發動機零件以節約成本,NASA空間技術任務部負責人表示,這是航空航天領域3D打印技術應用的新里程碑。

增材制造在航空航天制造中的應用

  增材制造(AM)技術又稱為快速原型、快速成形、快速制造、3D打印技術等,是指基于離散-堆積原理,由零件三維數據驅動直接制造零件的科學技術體系?;诓煌姆诸愒瓌t和理解方式,增材制造技術的內涵仍在不斷深化,外延也不斷擴展。增材制造技術不需要傳統的刀具和夾具以及復雜的加工工序,在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件,從而實現了零件“自由制造”,解決了許多復雜結構零件的成形,并大大減少了加工工序,縮短了加工周期,而且產品結構越復雜,其制造速度的作用就越顯著。


  歐美發達國家紛紛制定了發展和推動增材制造技術的國家戰略和規劃,增材制造技術已受到政府、研究機構、企業和媒體的廣泛關注。2012年3月,美國白宮宣布了振興美國制造的新舉措,將投資10億美元幫助美國制造體系的改革。其中,白宮提出實現該項計劃的三大背景技術包括了增材制造,強調了通過改善增材制造材料、裝備及標準,實現創新設計的小批量、低成本數字化制造。2012年8月,美國增材制造創新研究所成立,聯合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學、40余家企業、11家非營利機構和專業協會。


  其他歐洲國家也在積極跟進增材制造技術的研發。英國政府自2011年開始持續增大對增材制造技術的研發經費。以前僅有拉夫堡大學一個增材制造研究中,諾丁漢大學,謝菲爾德大學、??巳卮髮W和曼徹斯特大學等相繼建立了增材制造研究中心。英國工程與物理科學研究委員會中設有增材制造研究中心,參與機構包括拉夫堡大學、伯明翰大學、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學、研究機構及企業。法國增材制造協會致力于增材制造技術標準的研究。在政府資助下,西班牙啟動了一項發展增材制造的專項,研究內容包括增材制造共性技術、材料、技術交流及商業模式等四方面內容。


  目前,除了美國外,其他一些發達國家也在積極推動增材制造技術在航空航天領域的應用。德國建立了直接制造研究中心,主要研究和推動增材制造技術在航空航天領域中結構輕量化方面的應用。澳大利亞政府于2012年啟動“微型發動機增材制造技術”項目,旨在使用增材制造技術制造航空航天領域微型發動機零部件。日本政府也很重視增材制造技術的發展,通過優惠政策和大量資金鼓勵產學研用緊密結合,有力促進該技術在航空航天等領域的應用。之所以會產生這一熱潮,是因為金屬3D打印增材制造技術對航空航天領域帶來的效益是廣泛的。


  第一,加速新型航空航天器的研發。金屬3D打印高性能增材制造技術擺脫了模具制造這一顯著延長研發時間的關鍵技術環節,兼顧高精度、高性能、高柔性,可以快速制造結構十分復雜的金屬零件,為先進航空航天器的快速研發提供了有力的技術手段。


  第二,顯著減輕結構重量。減輕結構重量是航空航天器最重要的技術需求,傳統制造技術已經被發揮到接近極限,難以再有更大的作為。而金屬3D打印高性能增材制造技術則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下,通過最優化的結構設計來顯著減輕金屬結構件的重量。


  第三,顯著節約昂貴的戰略金屬材料。航空航天器由于對高性能的需求,需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但很多零件的材料利用率非常低,一般低10%,有時甚至于僅為2%-5%。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑,同時伴隨著極大的機械加工量。作為一種高性能近凈成型技術,金屬3D打印高性能增材制造技術可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60%-95%,甚至更高,同時也就顯著減少了機械加工量。


  第四,制造一些過去無法實現的功能結構,包括:最合理的應力分布結構;通過最合理的復雜內流道結構實現最理想的溫度控制手段;通過合理的結構設計和材料分布實現振動頻率特征的調控,避免危險的共振效應;通過多材料任意復合實現一個零件的不同部位分別滿足不同的技術需求等。


  第五,通過激光組合制造技術改造提升傳統制造技術,使鑄造、鍛造和機械加工等傳統制造技術手段更好地發揮作用。激光立體成型技術可以實現異質材料的高性能結合,從而可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統技術制造出來的零件上任意添加精細結構,并且使其具有與整體制造相當的力學性能。這就可以把增材制造技術成型復雜精細結構的優勢與傳統制造技術高效率、低成本的優勢結合起來,形成最佳的制造策略。


  增材制造技術是有助于NASA繼續探月行動,甚至維持火星探測人員生存的眾多技術之一。發動機是由大量不同材料制成的復雜零件組裝而成,其提供的推力為火箭提供動力。增材制造具有降低火箭零件制造時間和成本的潛能,如火箭燃燒室銅合金內襯,在火箭燃燒室內超冷推進劑被混合并加熱到將火箭送到太空所需的極端溫度。在紙一樣厚的銅合金內襯壁里面,溫度激增到2760,通過氣體循環,將內襯壁外面的溫度冷卻到絕對零度以上100以下,來防止熔化,銅合金內襯是專為實現這一目的而制造。為了使氣體循環,在燃燒室內襯內、外壁之間建造了200多條復雜通道。


  這種具有復雜內部幾何特征的小通道對NASA增材制造團隊帶來挑戰。馬歇爾太空飛行中心材料與加工實驗室采用其選擇性激光熔融設備融合了8255層銅合金粉末,在10天零18小時的時間內制造了燃燒室內襯。在制造燃燒室內襯之前,材料工程師建造了幾個其他試驗件,對材料進行了表征,且設計創造了銅合金增材制造工藝。銅合金具有極好的導熱性,這也是銅合金作為發動機燃燒室及其他零件內襯理想材料的原因。然而,這種屬性卻為銅合金增材制造帶來挑戰,因為激光很難連續熔化銅合金粉末。


  目前,僅有少量銅合金火箭零件的可采用增材制造技術來制造。因此,NASA正在通過3D打印一個火箭零件來開辟技術新天地,這一組件必須經受極端高溫和低溫,且具有復雜的冷卻通道,該通道是建造在內壁厚度為鉛筆斑痕的外部上的。該零件是由NASA格倫研究中心的材料科學家創造的GRCo-84銅合金建造而成。格倫研究中心廣泛的材料表征有助于驗證3D打印的工藝參數,確保建造質量。格倫研究中心將開發材料機械性能的廣泛數據庫,用于指導未來的3D打印火箭發動機設計。


  制造銅合金發動機燃燒室內襯僅僅是低成本火箭上面級推進項目的第一步,該項目由NASA空間技術任務部的顛覆性開發計劃資助。NASA的顛覆性計劃資助那些將變革未來太空活動的技術開發,包括NASA的探月計劃。對于工程人員而言,項目的下一步是將銅合金內襯運送到NASA的蘭利研究中心,采用電子束自由成形在銅合金內襯外部直接沉積鎳合金結構外殼。之后,預計于今年夏季在馬歇爾飛行中心進行發動機部件的熱點火測試,以確定在模擬的極端溫度和壓力條件下,發動機的運行情況。


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