增材制造在航空航天领域的应用

在增材制造（AM）的早期，该技术主要集中在设计和快速原型应用上。而最近增材制造技术正逐渐被应用于从耐火材料和技术材料中制造高性能机械部件。

这在太空和航空航天工程中尤为常见，可承受性、多功能性、速度和精度的结合使增材制造成为理想的选择。

它在轻型结构中打印耐火材料的能力使其成为一种有吸引力的方法，提供的高温性能仅占传统制造的耐火金属零件重量的很小一部分。

本文将概述与传统减法制造相比，增材制造的关键优势所在，以及如何实现这些优势以改变航天工程的格局。

美国宇航局（NASA）在2013年对火箭喷射器设计进行了测试。在这些测试中，小规模喷射器在燃烧氢气和液氧的同时，经受的温度超过3300°C，承受极端压力超过46秒。

测试是成功的。一位负责测试的工程师解释说，这些新部件“运转良好”，可以应对极端条件，而不会出现故障迹象。更为出色的是，这些高性能零件都是通过一步式增材制造工艺生产的。

NASA先前用于这些测试的小规模喷射器是使用传统的“减材”方法制造的：加工和铣削散装材料，并将零件连接在一起。以前的喷射器每件制造成本为10,000美元，有四个部件，制造时间超过六个月。而增材制造不仅能生产出功能上难以区分的新喷射器部件，而且是花费不到三周的时间和一半的成本就实现了这一目标。

NASA的燃油喷射器只是将增材制造技术应用于太空应用以提高制造效率和部件性能的多种方式中的一个例子。

增材制造的优势

当应用于航天工程时，增材制造具有许多优势。首先，增材制造使构造几何形状复杂的部件成为可能，这将可能需要高度专业化的生产方法。

一旦需要几个不同的处理步骤，诸如NASA火箭喷射器之类的组件现在就可以通过一致的增材制造工艺进行制造。

德国航空航天中心的研究人员使用AM制造最近开发并制造了可重复使用的火箭发动机原型。新的增材制造设计使重量减轻了10％，部件数量从30个减少到1个，并比以前的设计提供了更高的性能。

与传统的减材制造方法相比，增材制造能提供更大的经济优势。实际上，由于消除了对新零件进行重新装配或修改制造程序的要求，因此可以使用一台机器按需有效地生产组件，这意味着规模经济更容易实现。

AM可以为小批量（通常低至一个）提供规模经济，这意味着制造商可以按需订购或生产部件，而不是一次性订购数千个部件以提高经济效益。

增材制造既是生产大量航空航天部件的一种成本效益高、又何生产高度可定制部件的方法。在航空航天应用中利用增材制造的关键优势还在于，它可以用来显著降低组件数量。

增材制造方法可以轻易地制造出带有封闭单元、凹穴和孔的组件，以大大减少组件的数量。相反，减材制造几乎只能创建密度均匀的“固体”部体。

例如，有数据表明，AM制造的卫星部件的重量减轻了惊人的70％。这不是一件小事，因为卫星部件的数量大大降低，从而大大降低了发射卫星和到达轨道时操纵卫星所需的燃料量。

在太空应用中尽可能减少每克重量的重要性不言而喻。AM提供了一种在不影响性能的情况下减少现有组件重量的方法。当需要由致密的技术金属和耐火材料生产高性能部件时，这一点尤其重要。