用于多材料火箭部件的下一代 LPBF 激光粉末床熔融增材制造系统

|3DScienceValley· 2024/06/18

根据《(一）金属与金属 l多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文，对于金属多材料，大多数关于多材料的研究都是在钛、铜、铝和钢，用于改善设计部件的功能以及增强硬度、导电性、磁性、耐磨性、强度和热性能等特性。

实现更快捷的多材料加工，苏黎世瑞士联邦理工学院 (ETH) 机械与过程工程系的RAPTURE 项目开发了用于多材料火箭部件的下一代 LPBF 激光粉末床熔融增材制造系统。

▲ RAPTURE多材料3D打印系统
© ETH

多种合金的应用场景比较特殊，例如，一个零件的一侧要具备耐高温特性，而另一侧要具备低密度特性；或只能在一侧具有磁性。制造这样的零部件此前只能采用焊接的方法，先分别制造出不同的部件，然后再将它们焊接起来。但焊缝天然具有缺陷，容易脆化，在高强度压力下极易导致零件崩溃。当前NASA的3D打印技术，可以顺滑地从一种合金过渡到另外一种合金，此外，用它还可以研究各种潜在的合金。

▲ 多材料
© 白皮书

下一代系统

RAPTURE 是苏黎世瑞士联邦理工学院 (ETH) 机械与过程工程系 (D-MAVT) 的一个重点项目，RAPTURE 项目还是瑞士学术空间计划 (ARIS) 的一部分，该项目以 2022-2023 年重点项目 PROMETHEUS 的成功为基础，该项目开发了增材制造液体燃料火箭发动机的试验台。

增材制造，尤其是激光粉末床熔融，是一项相对年轻的技术，在许多行业中都有快速增长的市场。它允许制造具有其他任何方式都无法实现的复杂性的部件。这种复杂性使工程师能够更好地利用材料并设计性能更高的组件。RAPTURE 希望更进一步，通过多材料能力进一步提高这一性能水平，这允许在一个组件中使用多种材料。通过新开发的重新涂层方法，RAPTURE旨在构建迄今为止最快、最节省粉末的多材料下一代 LPBF 激光粉末床熔融增材制造系统。

RAPTURE项目开发的多材料 LPBF 激光粉末床熔融增材制造系统有望应用于火箭，可以将各种材料集成到一个部件中。此功能简化了轻质、高强度组件的设计，优化了性能并减轻了重量。在效率至关重要的火箭领域，多材料 LPBF 提供了创建专用组件所需的灵活性，例如隔热罩和喷嘴，每个组件都具有量身定制的材料特性。这项技术有望提高火箭系统的可靠性和性能，使其成为航空航天工业的一项宝贵进步。

观察

l 国际-多材料火箭部件参考案例

NASA在2017年9月成功测试两种合金制成的3D打印火箭发动机点火器，该零部件由铜合金和Inconel合金制成，通过DMG MORI（德马吉森精机）开发的混合3D打印工艺生产出来，点火器部件的高度为10英寸、宽为7英寸。

通过3D打印过程将两种材料分散熔合在一起，两种材料内部晶粒产生粘结，使得任何硬质过渡都被消除，从而零件不会在巨大的压力和温度梯度变化下发生断裂情况。

消除钎焊过程并将双金属材料制成单一组件，这不仅可以降低成本和制造时间，而且还可以通过提高组件的可靠性而降低质量风险。

l 国内- 科研成果

新型振动辅助粉末输送系统增材制造钴基合金/铜合金界面互锁结构

唐锦荣1王迪1刘林青1谭华2李扬1周伟3陈国星4杨永强1

1. 华南理工大学机械与汽车工程学院2. 西北工业大学凝固技术国家重点实验室3. 厦门大学机电工程系4. 苏州热工研究院有限公司

摘要：

多材料激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion, LPBF)成形过程中，高质量的粉末输送对于保证成形稳定性并提升零件的成形质量具有重要意义。设计了一种新型超声振动辅助粉末输送系统，分析了振动辅助模块的频率特征，并研究了针头直径对落粉效果的影响，通过0.3mm直径的针头实现了稳定、良好的粉末输送效果。通过上述粉末输送系统LPBF成形三种具有不同界面互锁结构(齿形、正弦、矩形)的钴基合金/铜多材料零件，验证了该粉末输送系统的可行性。

进一步研究了三种不同互锁结构的界面特征，分析了界面处宏观样貌、微观缺陷以及元素分布。结果表明，振动辅助模块在21 kHz频率下能正常落粉，成形零件界面出现了两种金属的混合区。齿形互锁结构的成形质量优于正弦与矩形结构，其界面处的材料结合良好。以上结果能为粉末输送系统设计以及金属多材料界面结构设计提供参考。