弗勞恩霍夫 ILT 研究3D 打印零排放氫發(fā)動(dòng)機(jī),，支持可持續(xù)航空航天制造業(yè)

2024年10月18日，南極熊獲悉,，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所 (ILT)致力于利用 3D 打印技術(shù)提高航空航天制造業(yè)的可持續(xù)性,。該研究機(jī)構(gòu)總部位于德國(guó)亞琛，其增材制造技術(shù)正在幫助航空航天公司滿足歐盟可持續(xù)性法規(guī),。

例如,，弗勞恩霍夫 ILT 正在開(kāi)發(fā)用于激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印的金屬粉末，以支持零排放氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī),。這些材料是通過(guò)資源節(jié)約,、氣候友好型航空技術(shù)與創(chuàng)新 (TRIKA) 計(jì)劃開(kāi)發(fā)的，有助于生產(chǎn)符合氫推進(jìn)系統(tǒng)嚴(yán)格行業(yè)要求的輕型發(fā)動(dòng)機(jī)部件,。

研究人員還在進(jìn)行生命周期評(píng)估 (LCA),，以確定 LPBF 3D 打印在航空航天應(yīng)用中的生態(tài)和成本優(yōu)勢(shì)。弗勞恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合部門負(fù)責(zé)人 Tim Lantzsch 博士稱這些評(píng)估對(duì)于確定制造可持續(xù)性“不可或缺”,。

此外,，弗勞恩霍夫正在研究一種使用激光材料沉積 (LMD) 3D 打印更高效、更精確地生產(chǎn)火箭部件的工藝,。到 2025 年 10 月,，該項(xiàng)目旨在為歐洲航天局(ESA) 的阿麗亞娜計(jì)劃 3D 打印火箭噴嘴并制造全尺寸演示器。據(jù)報(bào)道,，利用金屬增材制造來(lái)生產(chǎn)這些部件可以降低成本并縮短生產(chǎn)時(shí)間,。

△阿麗亞娜5 號(hào)火箭成功發(fā)射。照片來(lái)自 Fraunhofer ILT,。

零排放氫發(fā)動(dòng)機(jī)

歐盟的《ReFuelEU》航空法規(guī)要求到2050年二氧化碳排放量要比1990年的水平減少60%,。此外,，新的《歐洲空間法》（EUSL）將包括有關(guān)空間可持續(xù)性的新規(guī)則。

為了滿足這些苛刻的期限,，弗勞恩霍夫 ILT 指出了 LPBF 3D 打印的價(jià)值,。研究人員強(qiáng)調(diào)了其生產(chǎn)輕質(zhì)、復(fù)雜,、高強(qiáng)度部件的能力,，這些部件針對(duì)航空航天應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

由德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和氣候行動(dòng)部牽頭的 TIRIKA 計(jì)劃旨在推動(dòng)氫氣成為航空業(yè)的零排放能源,。通過(guò)該項(xiàng)目，弗勞恩霍夫 ILT 正在與材料制造商合作,，生產(chǎn)適用于 3D 打印氫發(fā)動(dòng)機(jī)部件的鋁合金粉末,。研究人員還針對(duì)市售材料調(diào)整了 LPBF 工藝，驗(yàn)證了它們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用,。

據(jù)弗勞恩霍夫 ILT 研究員 LukeSchüller 介紹,，該團(tuán)隊(duì)的 3D 打印工藝可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 99.5% 的相對(duì)組件密度，以及超過(guò) 100 cm 3 /h 的構(gòu)建速度,。至關(guān)重要的是,，專門開(kāi)發(fā)的 3D 打印粉末具有抗氫性，氫在高壓和高溫下會(huì)導(dǎo)致脆化和疲勞,。據(jù)報(bào)道,，3D 打印還能夠生產(chǎn)出鑄造和鍛造等傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀和功能結(jié)構(gòu)。   

△盧克·舒勒,。照片來(lái)自 Fraunhofer ILT,。

3D打印是否更具可持續(xù)性？     

弗勞恩霍夫 ILT 進(jìn)行了生命周期評(píng)估,，以確定 3D 打印航空部件與使用傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)制造的部件相比的可持續(xù)性,。在此，團(tuán)隊(duì)評(píng)估了部件的整個(gè)生命周期,，涵蓋原材料采購(gòu),、生產(chǎn)、使用和回收,。   

據(jù)報(bào)道,，LCA 數(shù)據(jù)可讓研究人員更快、更高效地設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的啟動(dòng)流程,。它還能幫助他們?cè)u(píng)估生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量,、成本、能源和資源消耗,。最后,，LCA 為航空航天生產(chǎn)提供了更大的透明度,。

根據(jù)弗勞恩霍夫 ILT 的 LCA 分析，雖然 LPBF 3D 打印消耗大量能源,，但其環(huán)境足跡比傳統(tǒng)方法“小得多”,。

值得注意的是，它通過(guò)僅使用制造零件所需的精確材料量來(lái)最大限度地減少生產(chǎn)過(guò)程中的材料浪費(fèi),。制造更輕質(zhì)零件的能力還可以減少航空航天部件的燃料消耗,，從而進(jìn)一步降低整個(gè)產(chǎn)品生命周期對(duì)環(huán)境的影響。

3D打印可持續(xù)太空火箭

據(jù)報(bào)道,，F(xiàn)raunhofer ILT 的 3D 打印功能在歐盟的ENLIGHTEN（歐洲低成本,、創(chuàng)新和綠色高推力發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目倡議）項(xiàng)目中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

ENLIGHTEN 于 2022 年啟動(dòng),，旨在開(kāi)發(fā)可由生物甲烷和綠色氫氣驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且環(huán)保的火箭發(fā)動(dòng)機(jī),。目標(biāo)是利用這些發(fā)動(dòng)機(jī)為歐空局阿麗亞娜太空計(jì)劃的可重復(fù)使用火箭提供動(dòng)力。

通過(guò)該項(xiàng)目,，弗勞恩霍夫 ILT 的增材制造和修復(fù) LMD 小組正在努力使用 LMD 3D 打印制造火箭,。弗勞恩霍夫 ILT 增材制造和修復(fù) LMD 小組負(fù)責(zé)人 Min-Uh Ko 聲稱 LMD 顯著提高了“制造新型火箭噴嘴的速度和成本效益”。  

研究團(tuán)隊(duì)的 3D 打印設(shè)計(jì)具有精致的薄壁冷卻通道,，使用替代生產(chǎn)方法生產(chǎn)起來(lái)要困難得多,。據(jù)報(bào)道，傳統(tǒng)制造還會(huì)產(chǎn)生耗時(shí)且昂貴的工藝鏈,，可能需要幾個(gè)月才能交付最終部件,。使用本地增材制造可以大大減少這一過(guò)程。  

最終,，該團(tuán)隊(duì)希望建立一個(gè)可靠,、受控的 LMD 生產(chǎn)流程，其中包括質(zhì)量保證,，以支持大批量生產(chǎn),。它將采用一個(gè)在線系統(tǒng)，使用傳感器監(jiān)控整個(gè) 3D 打印過(guò)程,。據(jù)報(bào)道,，他們將檢測(cè)和糾正流程異常，并確保零件質(zhì)量始終如一,。

Min-Uh Ko 補(bǔ)充道：“憑借我們的成果,，我們可以使該行業(yè)作為航空航天工業(yè)的供應(yīng)商，未來(lái)能夠通過(guò) LMD 在自己的系統(tǒng)上生產(chǎn)同樣大型,、復(fù)雜和精細(xì)的結(jié)構(gòu),。”      

△Min-UhKo，F(xiàn)raunhofer ILT 增材制造和修復(fù) LMD 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,。照片來(lái)自 Fraunhofer ILT,。

增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天和空間應(yīng)用對(duì)增材制造的采用繼續(xù)加速。埃隆·馬斯克的火箭公司SpaceX最近同意從位于加利福尼亞州的金屬增材制造公司 Velo3D獲得金屬 3D 打印機(jī)的許可,。

SpaceX 已同意向 Velo3D 支付 500 萬(wàn)美元以獲得其增材制造能力,，這是其之前向SpaceX 提供 3D 打印機(jī)的協(xié)議的基礎(chǔ)。增材制造此前曾用于 SpaceX 的 Raptor 發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn),，據(jù)報(bào)道,，它在整合零件和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。馬斯克宣稱他的公司擁有“最先進(jìn)的 3D 金屬打印技術(shù)”,。

另外,，韓國(guó)工業(yè) 3D 打印解決方案提供商InssTek與韓國(guó)航空宇宙研究院(KARI)合作開(kāi)發(fā)了 3 噸多材料火箭噴嘴和火箭噴嘴延長(zhǎng)件。

這款火箭采用定向能量沉積 (DED) 3D 打印技術(shù)制造,，內(nèi)部部分由鋁青銅（銅合金）制成,，外部部分由 Inconel 625（鎳基高溫合金）制成�,；鸺龂娮煅由觳糠植捎� C-103（一種鈮合金）3D 打印而成。據(jù)報(bào)道,，增材制造對(duì)于創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要,，這些結(jié)構(gòu)和功能可解鎖組件所需的效率和可靠性。