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        超越世界的技術:3D打印在航空航天行業中的作用
        2020-04-17 14:21:45
        來源:孜然實驗室

        3D打印正在改變全球幾乎每個行業,它改變我們設計和生產服裝的方式,它改變汽車的制造和交付方式,甚至進入了我們的廚房。您可能在辦公桌上有一臺3D打印機。

        增材制造業務以每年約24%的速度增長,全球3D打印市場預計將達到約210億美元。3D打印的需求正以驚人的速度增長,這是由不斷擴大的新一輪創業浪潮以及更有效的3D打印材料、設備和技術帶動的。

        我們很高興看到行業內有如此眾多的公司采用增材制造。其中一個行業可能會從3D制造業中受益,從而幫助人們從一個國家到另一個國家,到月球以及甚至更遠的地方。您可能猜到了,這就是航空業。

        超越
        圖片:NASA

        早在1989年,隨著新興技術的采用,航空航天業就開始從3D打印中受益。在隨后的幾十年中,這種技術不斷發展。航空航天業中的3D打印可能不如鞋類或汽車制造業那樣引人注目,但是新興技術帶來的變化最終可以幫助我們的物種殖民新行星。

        像許多其他行業一樣,3D打印之所以吸引人,是因為它允許公司快速制作想法原型,或以比標準制造方法少得多的成本和更少的時間創建功能完備的零件。定制3D打印將使工程師能夠按需打印零件,以滿足可能的設計挑戰或維修工作。簡而言之,曾經復雜昂貴的零件將比以往任何時候都更輕、更可靠、更快,這對于航空業來說是一個很好的機會。

        航空業增材制造在2015年占3D打印總收入的16%,被用于幫助民用飛機、新型航天器甚至衛星生產。今天,我們將探索增材制造對航空航天業產生影響的一些最令人振奮的方式。

        3D打印火箭將人類帶入火星

        圖片:NASA

        如果您確實擁有一臺3D打印機,那么您可能已經花費了許多小時進行3D打印各種小物體,甚至是火箭嗎?您的標準3D打印機使用一種熱塑性材料,該材料在與打印機噴嘴接觸時會熔化,在碰到打印表面時會立即冷卻凝固。但是,您可能不知道可3D打印也可以打印各種材料,包括金屬。多年來,金屬的增材制造技術已經非常成熟。昂貴的金屬零件和組件的生產對NASA以及諸如SpaceX或Virgin Orbit這樣的私人組織的太空計劃非常有吸引力。

        實際上,NASA和Virgin Orbit已經開始測試3D打印火箭燃燒室。Virgin Orbit利用其資源向發射通常攜帶小型衛星進入太空的火箭。最近,Virgin Orbit邀請NASA的專家來創建3D打印燃燒室,這是一種“結合多種材料并利用尖端技術的制造工藝”。燃燒室被視為火箭發動機的心臟,燃料在這里與氧化劑混合并爆炸。

        Virgin Orbit使用一種銅合金制作了火箭燃燒室。他們使用了高壓液氧/煤油作為推進劑,燃燒室在24次,60秒的測試點火中成功獲得了超過2000磅的推力。

        NASA高級工程師保羅·格雷德(Paul Gradl)對該項目感到興奮,他說:“傳統上,制造、測試和交付常規燃燒室需要花費數月的時間。我們可以大大減少這一時間。”

        “增材制造旨在擴展和增強傳統工藝。它意味著新的設計和更好的性能,并生產出了高度耐用的硬件。通過這種合作關系,我們正在進一步提高這種能力。”

        在不久的將來,通過增材制造工藝生產的發動機可以帶我們進入火星。

        商用飛機開始使用3D打印零件

        顯然,沒有人會使用桌面3D打印機打印零件并將它們放在飛機上以節省資金。盡管如此,工業高端3D制造零件已經進入了一些商用飛機,這是有充分的理由的。根據一些研究,可使用3D打印將某些飛機部件的重量減輕40-60%之多。這僅僅是開始,數據表明,使用3D打印設計和制造的單個組件可將空氣阻力降低2.1%,從而將燃料成本降低5.41%??罩锌蛙囈呀浽谄銩350 XWB飛機上安裝了1000多種3D打印零件。

        增材制造使波音和空中客車等公司能夠加快生產速度。該行業最大的挑戰之一是滿足所有商用飛機訂單,兩家公司都積壓了5000-8000架飛機訂單。預計未來幾年需求還會增加,增材制造可能會成為大殺器。據估計,到目前為止,波音公司已經為飛機使用了60000個3D打印零件。

        3D打印的無人機和衛星

        圖片:Stratodyne LLC

        衛星可能會很昂貴。但是,您可能已經猜到了,增材制造可以解決這個問題??罩锌蛙嚬緡琅c太空部門的工程師使用3D打印技術創建了一個鈦金屬框架,該框架能夠承受-170℃至100℃的溫度范圍。多虧了增材制造的力量,與以前的衛星迭代相比,該團隊能夠將生產成本降低多達20%,從而創造出了更輕巧且幾何優化的產品。

        初創公司Stratodyne LLC也在航空航天業中掀起了波瀾。團隊利用其快速原型制作方法來制造定制的平流層衛星,這些衛星可以在短短幾個小時內部署到目標位置附近。衛星可以提供從資產監控到科學測量的所有內容。這些廉價,可持續的衛星替代方法甚至可以用于電信、遙感或地理空間數據收集。

        圖片:Stratodyne

        正如Statodyne團隊所述,“與常規衛星需要數月的測試、數百萬美元和數周的時間才能在所需的軌道位置上運行不同,我們的衛星可以在不到一天的時間內進行部署,而成本卻很小。”

        “常規衛星在死亡后會成為危險的太空垃圾,在發射期間會釋放數百噸溫室氣體,但我們的StratoSats可以返回地面并重新發射以執行新的任務,在我們的星球上或其他地方幾乎沒有留下足跡。”

        最后,Stratodyne目前正在開發能夠延長飛行時間的近太空無人機,以作為衛星的廉價替代品。

        3D打印將使前往深空的旅程更加容易

        圖片:NASA

        計劃一個一星期的假日旅行要消耗不少精力。想象一下,為未知領域的旅行計劃后勤工作,在這個過程中,旅行本身將花費6-8個月。對于那些試圖將我們送往火星的組織來說,這是當前的現實。根據NASA的說法,為居住在距地球僅約400公里的國際空間站上的宇航員的生活,每年需要向國際空間站提供3175千克的備件,13154千克的航天硬件備件,以及準備好額外17690千克的備件。

        國際空間站離地球很近,這一切都是相對容易的。但是,這在登上月球和火星時變得不切實際。另外,如果您將足夠的物資裝進大型航天器,那將是非常昂貴的,而且效率很低。然而,這正是3D打印可以拯救的地方。

        NASA馬歇爾太空飛行中心的太空制造部門(ISM)目前正在研究3D打印技術可以減輕太空任務的方式。ISM合作伙伴已經開發了熔絲制造3D技術。該過程涉及將連續的塑料線通過加熱的擠出機進料,并逐層疊加到托盤上以產生三維物體。當前,有研究正在探索太空中最有效的3D打印方法,從而使宇航員可以打印簡單的日常工具。

        在一個示例中,地面的研究人員能夠向國際空間站上的宇航員發送扳手的3D設計。ISM的其他研究包括正在探索在太空中打印更耐用的材料的可能性。最終的目標是什么?想象一下,能夠完全打印功能性3D零件,而無需等待地球上的補給。

        圖片:NASA

        “最終,ISM對于未來的太空探索任務至關重要。在空間站上測試這些制造系統將為使這些任務更獨立于地球鋪平道路。它啟動了低地球軌道的商業化開發,同時減輕了地面的庫存壓力。” NASA

        最后,研究人員目前正在研究在太空中打印食物的方法。太空食物最終應該是最美味的食物。以3D打印行業目前的創新速度,宇航員可能很快將不僅能夠打印各種食品,而且能夠打印滿足個人口味的菜肴。

        走向未來

        航空航天業的增材制造令人興奮。從關鍵零件的原型制作到功能齊全的零件的整體生產,它改變了整個行業的面貌。增材制造還有助于提高生產速度和可靠性,同時降低生產成本。

        3D打印技術可以應用于未來太空旅行的所有潛在方式,令全世界太空機構的人們感到興奮。在不久的將來,3D打印可能在建立火星上的長期殖民地方面發揮至關重要的作用。通過將人工智能和機器人技術相結合,增材制造可以在創造長期文明中發揮關鍵作用。

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