韓國(guó)研究人員完成3D打印鈦罐-196°C耐低溫壓力測(cè)試，未發(fā)生結(jié)構(gòu)故障

2025年6月25日，南極熊獲悉，由韓國(guó)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（KITECH）牽頭的聯(lián)合體（KITECH是一家隸屬于韓國(guó)的國(guó)家級(jí)應(yīng)用研究中心）完成了全球首個(gè)用于航天的激光3D打印鈦合金壓力容器的。

研究團(tuán)隊(duì)與韓國(guó)航空宇宙研究院（KARI）、KP Aero Industries、AM Solutions和漢陽(yáng)大學(xué)合作，用Ti-6Al-4V合金制造了一個(gè)130升的球形儲(chǔ)罐，并在-196°C下加壓至330巴（比220巴的工作要求高出50%），且未發(fā)生結(jié)構(gòu)故障。

KITECH 的工程師采用激光絲定向能量沉積技術(shù)制造了兩個(gè)直徑 640 毫米的半球，利用高功率光束逐層熔化鈦絲原料。實(shí)時(shí)傳感器跟蹤焊道的幾何形狀和熱輸入，而刀具路徑算法則補(bǔ)償變形，使厚度保持在航空航天公差范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)熱處理和精密加工后，KP Aero 將兩個(gè)半球焊接在一起，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)確認(rèn)沒(méi)有孔隙或未熔合缺陷。

韓國(guó)航天工業(yè)研究院首席研究員李赫博士說(shuō)道：“這一成就證明，增材制造技術(shù)能夠滿足太空任務(wù)的極致性能要求，為航空航天部件制造開(kāi)辟了新的可能性。”在韓國(guó)航天研究院設(shè)施的驗(yàn)證運(yùn)行中，應(yīng)變計(jì)、熱電偶和視覺(jué)監(jiān)控系統(tǒng)顯示，儲(chǔ)罐行為與有限元預(yù)測(cè)結(jié)果相符，證實(shí)了飛行硬件所需的設(shè)計(jì)裕度。

△來(lái)自韓國(guó)科技工業(yè)研究院 (KITECH)、韓國(guó)航天研究院 (KARI)、KP Aero Industries、AM Solutions 和漢陽(yáng)大學(xué)的研究人員與 130 升鈦合金推進(jìn)劑罐合影。圖片來(lái)自 KITECH。

多年來(lái)，增材制造技術(shù)一直有望實(shí)現(xiàn)更輕、更快速的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱生產(chǎn)，但由于工藝波動(dòng)性和低溫脆化問(wèn)題，人們對(duì)其信心不足。激光絲材沉積工藝無(wú)需鍛造模具和大量機(jī)械加工，從而縮短了交付周期并減少了材料浪費(fèi)，但只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試才能證明在液氮溫度和運(yùn)載火箭壓力下的可靠性。如今，這一障礙已被掃除，這提供了一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，表明金屬3D打印工藝能夠滿足傳統(tǒng)上只有鍛造結(jié)構(gòu)才能滿足的安全系數(shù)。

研究小組計(jì)劃進(jìn)行更多資格認(rèn)證周期，并計(jì)劃與商業(yè)發(fā)射供應(yīng)商合作，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星、上面級(jí)推進(jìn)劑貯箱和其他低溫子系統(tǒng)。韓國(guó)航天技術(shù)研究院（KITECH）成立于1989年，隸屬于韓國(guó)商工部，研究院表示將利用這些成果支持韓國(guó)更廣泛地推進(jìn)國(guó)產(chǎn)航天硬件和數(shù)字化制造。

△在韓國(guó)核工業(yè)研究院測(cè)試設(shè)施的驗(yàn)證過(guò)程中，3D打印鈦合金罐在-196°C下被加壓至330巴。圖片來(lái)自韓國(guó)核工業(yè)研究院。

韓國(guó)增材制造的發(fā)展

韓國(guó)近期加快了金屬增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。航天公司INNOSPACE成立了內(nèi)部先進(jìn)制造部門(mén)，利用專有的3D打印系統(tǒng)生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和關(guān)鍵部件。該部門(mén)運(yùn)營(yíng)著一條涵蓋設(shè)計(jì)、仿真、金屬打印、后處理和質(zhì)量控制的全集成生產(chǎn)鏈，并成為韓國(guó)首家獲得ISO/ASTM 52941-20航空航天級(jí)增材制造系統(tǒng)認(rèn)證的公司。研究團(tuán)隊(duì)已完成HANBIT運(yùn)載火箭13個(gè)部件的初步制造，包括氧化劑泵和高精度旋轉(zhuǎn)部件。

國(guó)防部門(mén)的平行努力也取得了進(jìn)展。同年，韓國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)后勤集團(tuán)驗(yàn)證了Meltio的線激光定向能量沉積 (DED) 工藝可用于移動(dòng)金屬3D打印裝置。Meltio系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械臂部署在集裝箱裝置內(nèi)，可按需制造兩棲突擊車輛的停產(chǎn)或難以采購(gòu)的零件。這是Meltio技術(shù)在亞洲的首次軍事應(yīng)用，并得到了當(dāng)?shù)睾献骰锇锳M Solutions（低溫儲(chǔ)罐項(xiàng)目的合作者之一）的支持。

△地面燃燒測(cè)試中心。圖片來(lái)自 INNOSPACE。