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      人在捷泰

      印度3D打印IN718合金燃料噴射器,并展示出導彈終端應用潛力

      2021年12月6日,印度國防冶金研究實驗室(DMRL)的研究人員使用3D打印技術創建了一個升級版的燃料噴射器,可以使地對空導彈的推進成本降低。該團隊通過采用PBF 3D打印技術,將一個三角形截面整合到他們的噴油器設計中,這使得之前需要組裝的兩個部件可以被整合到一個單獨的、流動優化的裝置中。工程師們表示,這樣做不僅不需要使用昂貴的電子束焊接(EBW)方法,還創建了獨特的、網格狀的輕量化元件。

      △DMRL團隊的拓撲優化燃料噴射器的3D模型。圖片來自印度國家工程院。

      印度國家級的導彈研發戰略

      自2009年以來,DMRL的新型制造技術小組一直在使用Optomec LENS-750系統,用鋼、鈦和各種超級合金打印導彈原型部件。在這個過程中,該小組的工程師已經發現了增材技術對比傳統的航空航天生產工藝之下的優勢,特別是在設計自由度和交貨時間方面。然而,在印度Vikram Sarabhai太空中心的類似推進器項目取得成功后,研究人員決定放棄DED技術,并決心設計一個自己的燃料噴射器。工程師們表示自從轉向PBF工藝后,他們已經能夠針對現有的導彈部件,以一種在不妨礙其結構完整性的情況下的方式重新設計它,并消除了對支撐物的需求。該團隊在論文中說:"由于傳統制造業的限制,設計者沒有太多的靈活性來實現更有效的設計以及創造出更輕和更強的部件,他們只是被迫專門為制造而設計部件。3D打印作為一種解決方案,可以按照設計者的概念化、設計和建模來制造部件。"

      △研究人員的3D打印導彈燃料噴射器的光學顯微組織圖像。圖片來自印度國家工程院。

      改造后的航天部件

      在DMRL團隊的PBF實驗中,他們選擇重新設計一個燃料噴射器部件,該部件通常用于導彈或火箭的反應控制系統中,為它們提供高度控制。這些部件由"噴射器"和"環形"元件以及用于燃料和氧化劑輸出的三個大孔組成,通常通過CNC加工和EDM生產,然后用EBW熔合。

      據工程師們說,這種方式所生產出的裝置元件大多會超重,很大程度上影響了性能和效率,同時還必須為其復雜的內部幾何形狀提供支撐。另一方面,通過改用PBF和采取DfAM的方法,DMRL的研究人員能夠將他們的噴射器作為一個打印元件來生產,其新的66.4°橫截面使其能夠不受支撐。在他們的改造中,該團隊還設法升級了零件的流道,以及從其低應力區域移除材料,并在其底部引入超輕網格結構。

      工程師們使用IN718鎳合金在EOS-M400DMLS機器在30小時內3D打印了一個燃油噴射器的原型,然后觀察了其SEM圖像,并進行了機械測試。結果發現該部件具有良好的內部空腔區域,并被證明是密集構建的,沒有任何主要的孔隙或裂縫來削弱其結構剛性。

      此外,在測試過程中,該裝置表現出500至600MPa的抗壓強度,以及令人印象深刻的硬度和抗拉強度特性,研究小組稱這些特性要優于那些傳統的熔化和鑄造的IN718。因此,研究人員得出結論,他們已經成功地證明了他們基于3D打印的方法的可行性,以及應用到終端燃料噴射器的最終潛力。然而,他們也表示需要對打印元件進行更多的鉆機測試,以評估他們部件的功能效率,進一步的分析可以幫助確定更好的設備優化機會。

      △美國國防機構長期以來一直在試驗導彈的3D打印技術。圖片來自美國國防部。

      3D打印在火箭發射上的應用

      隨著大尺寸金屬3D打印機的能力不斷擴大,其航空航天應用也在不斷擴大,世界各地的國防機構已經對該技術進行了廣泛的測試。就在去年,研究機構ASTRO美國公司在DARPA委托的一項研究之后,提議建立一個高超音速導彈生產設施,該設施有可能配備3D打印機。在美國陸軍研究實驗室的一個3D打印導彈部件項目中,它已經獲得了Senvol及其機器學習軟件的幫助。Senvol公司利用其專有的人工智能算法,已簽約開發一個靈活的認證計劃,可適用于任何部件或增材制造系統。在其他地方,3D打印也被用于在更廣泛的航空航天領域制造推進器,Agile Space現在加入了Launcher和Rocket Lab等長期客戶的行列,并計劃使用增材技術來開發升級的推進系統。

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