直接金屬沉積3D打印技術(shù)，為NASA開發(fā)大型發(fā)動(dòng)機(jī)襯套零件

雖然AM被稱為第四次工業(yè)革命，但它在大型零件制造領(lǐng)域還有很長(zhǎng)的路要走。在所有金屬AM技術(shù)中，定向能量沉積 （DED）技術(shù)更容易擴(kuò)展，因此DED非常適合制造大型零件，但DED技術(shù)的采用進(jìn)度比其他3d打印技術(shù)例如粉末床融合 （PBF）、材料噴射 （MJ） 或熔融沉積建模 （FDM）慢得多。現(xiàn)在，這種情況正在悄然發(fā)生改變，因?yàn)楹娇蘸教旌蛧?guó)防工業(yè)在探索和采用大幅面金屬打印方面處于領(lǐng)先地位。

2023年1月，南極熊獲悉，領(lǐng)先的DED技術(shù)和服務(wù)提供商DM3D利用直接金屬沉積技術(shù)，為NASA開發(fā)大型發(fā)動(dòng)機(jī)襯套零件，工期縮短2到10倍。

DED技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很長(zhǎng)的時(shí)間。Baker在1935年申請(qǐng)的“裝飾品制作方法”專利是第一個(gè)使用定向能量技術(shù)的已知專利，雖然該過(guò)程不是數(shù)字驅(qū)動(dòng)的，但它的制造核心仍是分層方法。如今的DED技術(shù)更加復(fù)雜，并且完全由數(shù)字制造方法驅(qū)動(dòng)，但此技術(shù)在大型零件制造中的應(yīng)用仍然存在一一些限制。提高構(gòu)建速度、一致的構(gòu)建過(guò)程、實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控、應(yīng)力和變形解決策略是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)大型金屬AM部件制造的基本要求，也是目前DED技術(shù)發(fā)展中需要解決的問(wèn)題。

△圖 1. 使用 DMD 技術(shù)打印的復(fù)雜幾何圖形。（a） 空心彎頭，（b） 半球，（c） 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴（由 NASA MSFC 提供）和 （d） 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

領(lǐng)先的DED技術(shù)和服務(wù)提供商DM3D Technology LLC肩負(fù)著大型金屬零件增材制造的使命。下面南極熊將介紹DM3D Technology LLC以及其突出成果。DM3D專有的直接金屬沉積 （DMDa） 是 DED 技術(shù)之一，它使用高功率激光作為熱源，金屬粉末/線材作為原料，直接從 CAD 數(shù)據(jù)逐層 3D 打印金屬零件（圖 1）。該流程首先確定要制造的部件，分析其制造技術(shù)和商業(yè)挑戰(zhàn)，并針對(duì)這些挑戰(zhàn)制定綜合解決方案，以最大限度地提高制造成功率。在過(guò)去的五年里，DM3D團(tuán)隊(duì)一直在與客戶和供應(yīng)商合作，取得了多項(xiàng)成果。

△圖 2. DMD 多噴嘴系統(tǒng)。左上圖顯示了用于快速 3D 沉積的雙噴嘴技術(shù)。

與任何產(chǎn)品開發(fā)一樣，DMD打印技術(shù)也追求高速度、高質(zhì)量。DED過(guò)程通過(guò)使用高能量輸入和大光束尺寸已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)，但會(huì)降低制造復(fù)雜特征的能力和工藝分辨率，同時(shí)在零件中引入非常大的變形。為了克服這一挑戰(zhàn)，DM3D的團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法，設(shè)計(jì)、制造并調(diào)試了新一代多噴嘴 DMD 系統(tǒng)（圖 2）。這種多噴嘴 DMD 系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

●具有直徑 10 英尺、高度 10 英尺的圍護(hù)結(jié)構(gòu)

●使用兩個(gè)同時(shí)操作的加工頭使產(chǎn)量翻倍，并能夠再添加兩個(gè)加工頭

●獲得專利的閉環(huán)反饋控制可確保工藝穩(wěn)定性和構(gòu)建質(zhì)量

●熔池局部屏蔽同軸噴嘴，提供優(yōu)質(zhì)材料

●帶有可傾斜加工頭 （±45°） 的大型旋轉(zhuǎn)臺(tái)允許打印懸垂結(jié)構(gòu)

●大容量高進(jìn)給率預(yù)熱粉斗

△圖 3. 顯示零件徑向變形的仿真（由 NASA ARC 團(tuán)隊(duì)提供）。

△圖 4.DMD 制造的全尺寸 RS-25 噴嘴襯里。

△圖 5. 疊加在零件 CAD 上的 3D 掃描數(shù)據(jù)。

使大型零件打印過(guò)程成熟的下一個(gè)關(guān)鍵步驟是待制造零件的選擇和構(gòu)建過(guò)程的優(yōu)化。DMD與NASA合作，將 RS-25 發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴襯套（底部直徑為 97 英寸，高度為 111 英寸）作為候選部件。

●構(gòu)建方法從基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) （DOE） 的工藝配方優(yōu)化開始。

●使用 ANSYS 軟件對(duì)構(gòu)建過(guò)程進(jìn)行熱、應(yīng)力和變形模擬（圖 3）

●對(duì)打印幾何形狀的變形進(jìn)行補(bǔ)償。

●成功的構(gòu)建過(guò)程（圖 4）

●最后是構(gòu)建完成后的結(jié)構(gòu)光幾何檢查（來(lái)自 Hexagon）掃描（圖 5）。

用 AM 代替 RS-25 發(fā)動(dòng)機(jī)襯套的傳統(tǒng)制造方法可以將工期縮短2到10倍，并顯著節(jié)省成本（高達(dá) 50%）。NASA MSFC 的首席工程師和世界知名的 AM 專家 Paul Gradl 指出：“NASA 已經(jīng)與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界建立了合作伙伴關(guān)系，以推進(jìn)新方法的開發(fā)、工藝構(gòu)建、新型合金的開發(fā)和使用增材制造的組件演示，目標(biāo)是提高技術(shù)準(zhǔn)備水平，以便在未來(lái)的NASA任務(wù)和商業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用。 “

DM3D希望這次打印大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的成功演示將為大型金屬增材制造打開大門，并直接造福于快速發(fā)展的商業(yè)航天工業(yè)。DMD技術(shù)以其快速的制造速度和較高的新設(shè)計(jì)能力，將成為當(dāng)前和未來(lái)設(shè)計(jì)與制造工程師的完美工具，并加速創(chuàng)新，為社會(huì)發(fā)展帶來(lái)更大的利益。

審核編輯 ：李倩