超越世界的技術(shù)：3D打印在航空航天行業(yè)中的作用

來源：孜然實(shí)驗(yàn)室

3D打印正在改變?nèi)�球幾乎每個(gè)行業(yè)，它改變我們?cè)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)服裝的方式,，它改變汽車的制造和交付方式,，甚至進(jìn)入了我們的廚房。您可能在辦公桌上有一臺(tái)3D打印機(jī),。

增材制造業(yè)務(wù)以每年約24％的速度增長(zhǎng),，全球3D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到約210億美元。3D打印的需求正以驚人的速度增長(zhǎng),，這是由不斷擴(kuò)大的新一輪創(chuàng)業(yè)浪潮以及更有效的3D打印材料,、設(shè)備和技術(shù)帶動(dòng)的。

我們很高興看到行業(yè)內(nèi)有如此眾多的公司采用增材制造,。其中一個(gè)行業(yè)可能會(huì)從3D制造業(yè)中受益,，從而幫助人們從一個(gè)國(guó)家到另一個(gè)國(guó)家，到月球以及甚至更遠(yuǎn)的地方,。您可能猜到了,，這就是航空業(yè)。

超越

圖片：NASA

早在1989年,，隨著新興技術(shù)的采用,，航空航天業(yè)就開始從3D打印中受益。在隨后的幾十年中,，這種技術(shù)不斷發(fā)展,。航空航天業(yè)中的3D打印可能不如鞋類或汽車制造業(yè)那樣引人注目,，但是新興技術(shù)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(yè)一樣,，3D打印之所以吸引人,，是因?yàn)樗�允許公司快速制作想法原型，或以比標(biāo)準(zhǔn)制造方法少得多的成本和更少的時(shí)間創(chuàng)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)或維修工作。簡(jiǎn)而言之,，曾經(jīng)復(fù)雜昂貴的零件將比以往任何時(shí)候都更輕,、更可靠、更快,，這對(duì)于航空業(yè)來說是一個(gè)很好的機(jī)會(huì),。

航空業(yè)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(jī),、新型航天器甚至衛(wèi)星生產(chǎn),。今天，我們將探索增材制造對(duì)航空航天業(yè)產(chǎn)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(shí)擁有一臺(tái)3D打印機(jī),，那么您可能已經(jīng)花費(fèi)了許多小時(shí)進(jìn)行3D打印各種小物體，甚至是火箭嗎,？您的標(biāo)準(zhǔn)3D打印機(jī)使用一種熱塑性材料,，該材料在與打印機(jī)噴嘴接觸時(shí)會(huì)熔化，在碰到打印表面時(shí)會(huì)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(shù)已經(jīng)非常成熟。昂貴的金屬零件和組件的生產(chǎn)對(duì)NASA以及諸如SpaceX或Virgin Orbit這樣的私人組織的太空計(jì)劃非常有吸引力,。

實(shí)際上,，NASA和Virgin Orbit已經(jīng)開始測(cè)試3D打印火箭燃燒室。Virgin Orbit利用其資源向發(fā)射通常攜帶小型衛(wèi)星進(jìn)入太空的火箭,。最近,，Virgin Orbit邀請(qǐng)NASA的專家來創(chuàng)建3D打印燃燒室，這是一種“結(jié)合多種材料并利用尖端技術(shù)的制造工藝”,。燃燒室被視為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)劑,，燃燒室在24次,，60秒的測(cè)試點(diǎn)火中成功獲得了超過2000磅的推力。

NASA高級(jí)工程師保羅·格雷德（Paul Gradl）對(duì)該項(xiàng)目感到興奮,，他說：“傳統(tǒng)上,，制造、測(cè)試和交付常規(guī)燃燒室需要花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間,。我們可以大大減少這一時(shí)間,。”

“增材制造旨在擴(kuò)展和增強(qiáng)傳統(tǒng)工藝,。它意味著新的設(shè)計(jì)和更好的性能，并生產(chǎn)出了高度耐用的硬件,。通過這種合作關(guān)系,，我們正在進(jìn)一步提高這種能力�,！�

在不久的將來,，通過增材制造工藝生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以帶我們進(jìn)入火星。

商用飛機(jī)開始使用3D打印零件

顯然,，沒有人會(huì)使用桌面3D打印機(jī)打印零件并將它們放在飛機(jī)上以節(jié)省資金,。盡管如此，工業(yè)高端3D制造零件已經(jīng)進(jìn)入了一些商用飛機(jī),，這是有充分的理由的,。根據(jù)一些研究，可使用3D打印將某些飛機(jī)部件的重量減輕40-60％之多,。這僅僅是開始,，數(shù)據(jù)表明，使用3D打印設(shè)計(jì)和制造的單個(gè)組件可將空氣阻力降低2.1％,，從而將燃料成本降低5.41％,。空中客車已經(jīng)在其A350 XWB飛機(jī)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(chǎn)速度,。該行業(yè)最大的挑戰(zhàn)之一是滿足所有商用飛機(jī)訂單，兩家公司都積壓了5000-8000架飛機(jī)訂單,。預(yù)計(jì)未來幾年需求還會(huì)增加,，增材制造可能會(huì)成為大殺器。據(jù)估計(jì),，到目前為止,，波音公司已經(jīng)為飛機(jī)使用了60000個(gè)3D打印零件。

3D打印的無人機(jī)和衛(wèi)星

圖片：Stratodyne LLC

衛(wèi)星可能會(huì)很昂貴。但是,，您可能已經(jīng)猜到了,，增材制造可以解決這個(gè)問題�,？罩锌蛙嚬�司��(guó)防與太空部門的工程師使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)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(wèi)星迭代相比,，該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑸�產(chǎn)成本降低多達(dá)20％，從而創(chuàng)造出了更輕巧且?guī)缀蝺?yōu)化的產(chǎn)品,。

初創(chuàng)公司Stratodyne LLC也在航空航天業(yè)中掀起了波瀾,。團(tuán)隊(duì)利用其快速原型制作方法來制造定制的平流層衛(wèi)星，這些衛(wèi)星可以在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)部署到目標(biāo)位置附近,。衛(wèi)星可以提供從資產(chǎn)監(jiān)控到科學(xué)測(cè)量的所有內(nèi)容,。這些廉價(jià)，可持續(xù)的衛(wèi)星替代方法甚至可以用于電信,、遙感或地理空間數(shù)據(jù)收集,。

圖片：Stratodyne

正如Statodyne團(tuán)隊(duì)所述，“與常規(guī)衛(wèi)星需要數(shù)月的測(cè)試,、數(shù)百萬(wàn)美元和數(shù)周的時(shí)間才能在所需的軌道位置上運(yùn)行不同,，我們的衛(wèi)星可以在不到一天的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行部署，而成本卻很小,�,！�

“常規(guī)衛(wèi)星在死亡后會(huì)成為危險(xiǎn)的太空垃圾，在發(fā)射期間會(huì)釋放數(shù)百噸溫室氣體,，但我們的StratoSats可以返回地面并重新發(fā)射以執(zhí)行新的任務(wù),，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(fā)能夠延長(zhǎng)飛行時(shí)間的近太空無人機(jī)，以作為衛(wèi)星的廉價(jià)替代品,。

3D打印將使前往深空的旅程更加容易

圖片：NASA

計(jì)劃一個(gè)一星期的假日旅行要消耗不少精力,。想象一下，為未知領(lǐng)域的旅行計(jì)劃后勤工作,，在這個(gè)過程中,，旅行本身將花費(fèi)6-8個(gè)月。對(duì)于那些試圖將我們送往火星的組織來說,，這是當(dāng)前的現(xiàn)實(shí),。根據(jù)NASA的說法,，為居住在距地球僅約400公里的國(guó)際空間站上的宇航員的生活，每年需要向國(guó)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(zhǔn)備好額外17690千克的備件。

國(guó)際空間站離地球很近,，這一切都是相對(duì)容易的,。但是，這在登上月球和火星時(shí)變得不切實(shí)際,。另外,，如果您將足夠的物資裝進(jìn)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(shù)可以減輕太空任務(wù)的方式,。ISM合作伙伴已經(jīng)開發(fā)了熔絲制造3D技術(shù)。該過程涉及將連續(xù)的塑料線通過加熱的擠出機(jī)進(jìn)料,，并逐層疊加到托盤上以產(chǎn)生三維物體。當(dāng)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(jiǎn)單的日常工具。

在一個(gè)示例中,，地面的研究人員能夠向國(guó)際空間站上的宇航員發(fā)送扳手的3D設(shè)計(jì),。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(biāo)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(bǔ)給,。

圖片：NASA

“最終,，ISM對(duì)于未來的太空探索任務(wù)至關(guān)重要。在空間站上測(cè)試這些制造系統(tǒng)將為使這些任務(wù)更獨(dú)立于地球鋪平道路,。它啟動(dòng)了低地球軌道的商業(yè)化開發(fā),，同時(shí)減輕了地面的庫(kù)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(yīng)該是最美味的食物,。以3D打印行業(yè)目前的創(chuàng)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(gè)人口味的菜肴。

走向未來

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

3D打印技術(shù)可以應(yīng)用于未來太空旅行的所有潛在方式，令全世界太空機(jī)構(gòu)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(zhǎng)期殖民地方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。通過將人工智能和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合,，增材制造可以在創(chuàng)造長(zhǎng)期文明中發(fā)揮關(guān)鍵作用,。