高超音速飛行部件的3D打印技術(shù)

美國國家3D打印加速器AmericaMakes向一個由航空制造商波音公司領(lǐng)導(dǎo)的團隊提供了50萬美元的美國空軍研究實驗室（AFRL）資金。

波音公司被選為America Makes'MAGMA'項目的一部分，現(xiàn)在將與RPM創(chuàng)新公司合作，開發(fā)與高速飛行部件相關(guān)的3D打印技術(shù)。具體而言，該團隊將繼續(xù)完善他們的設(shè)計方法。據(jù)了解，這將提高那些在高超音速環(huán)境下易變形部件的可靠性。

美國制造公司的技術(shù)總監(jiān)Brandon D. Ribic博士說："這些努力將有利于各種具有復(fù)雜幾何特征產(chǎn)品的制造，預(yù)計從這些努力中獲得的重要經(jīng)驗將有助于提高復(fù)雜3D打印組件的產(chǎn)量。"

△位于俄亥俄州揚斯敦的America Makes大樓。照片來自America Makes。

America Makes的創(chuàng)新動力

自從2012年在俄亥俄州揚斯敦成立以來，America Makes一直在不斷嘗試，以提高美國全球制造業(yè)競爭力的方式加快3D打印的應(yīng)用。為實現(xiàn)這一目標，該研究所使用了項目征集的方式。通過這種方式，它為成員組織提供支持，為常見的3D打印問題提供新的解決方法。

在過去的12個月里，美國制造協(xié)會已經(jīng)發(fā)起過幾個這樣的倡議，包括其最近的快速創(chuàng)新倡議（RIC），它承諾為推動3D打印成熟的項目提供50萬美元，目標是六個不同的領(lǐng)域，從原位監(jiān)測和鑒定，到零件缺陷檢測和輕質(zhì)化。

在2021年6月，該研究所還宣布了一項160萬美元的公開項目征集，旨在鼓勵開發(fā)創(chuàng)新的、具有成本效益和節(jié)能的增材制造方法。在AFRL的支持下，America Makes不僅繼續(xù)尋求減輕缺陷的新方法，而且還針對新的培訓(xùn)和高溫材料鑒定方法。

最近，3D打印加速器更加重視尋求克服增材制造高速應(yīng)用部件出現(xiàn)的問題。該機構(gòu)在去年推出了50萬美元的 "LAVA "項目征集，尋求用非DED的方法來防止高速變形，現(xiàn)在America Makes又推出了名稱相似、目標一致的 "MAGMA"倡議。

△AmericaMakes已被AFRL授予3.22億美元的預(yù)算，以推動3D打印技術(shù)的采用，其成員主要來自工業(yè)、學(xué)術(shù)界、政府、勞動力和經(jīng)濟發(fā)展組織。照片來自AmericaMakes。

為高速研發(fā)投入50萬美元

作為America Makes的高超音速增材制造計劃的一部分，該組織專門設(shè)立了高速應(yīng)用的增材制造幾何管理方法和 "MAGMA "項目，促進3D打印技術(shù)的發(fā)展，以便在高速應(yīng)用中部署。

當America Makes在2021年10月首次發(fā)出MAGMA項目倡議時，它概述了增材制造是如何越來越多地幫助美國公司減少定制復(fù)雜零件的交貨時間。然而，該研究所也同時提出了目前增材制造中存在的一些問題，包括各種因素可能導(dǎo)致產(chǎn)品幾何形狀出現(xiàn)不可接受的差異，這使得3D打印零件無法應(yīng)用到高速環(huán)境下。

為了克服這個問題，America Makes此后一直在尋求與3D打印相關(guān)的改善提案，用于幫助相關(guān)產(chǎn)品幾何驗收標準的可衡量化。該組織表示，參賽作品的范圍可以從統(tǒng)計分析到創(chuàng)建新的設(shè)計工具，他們是秉持著鼓勵創(chuàng)新的理念而并不是非要強制參賽者滿足某些規(guī)定才行。

雖然波音公司和RPM創(chuàng)新公司現(xiàn)在已被宣布為MAGMA征集活動的獲勝者，但他們的高超音速的相關(guān)研究屬于敏感話題，這也代表著他們的提交材料幾乎沒有被公開。然而，鑒于RPM創(chuàng)新公司專門使用DED 3D打印技術(shù)來制造和維修零件，它的Freeform工藝極有可能對該團隊的方法起到作用。

此外，Ribic表示，該項目的研究結(jié)果可幫助供應(yīng)廠商對各種高速應(yīng)用的增材技術(shù)進一步理解。此外，波音公司已經(jīng)參與了該倡議的事實表明，其應(yīng)用將與其核心業(yè)務(wù)密切相關(guān)，該業(yè)務(wù)圍繞飛機、航空航天和國防制造。

△美國政府支持的組織多年來為高超音速研發(fā)傾注了大量資金。圖片來自美國國家航空航天局。

美國國防中的高超音速研究

隨著全球緊張局勢因俄羅斯入侵烏克蘭而持續(xù)升溫，美國高超音速技術(shù)的重要性已變得比以往任何時候都更加清晰。事實上，據(jù)說俄羅斯軍方在沖突前一直在測試其最新的 "匕首 "導(dǎo)彈，并使用3D打印技術(shù)來升級能夠攜帶這些導(dǎo)彈的米格-31噴氣機的引擎。

對美國及其盟國來說，值得慶幸的是，該國對高超音速研究本身并不陌生，其國防部（DoD）經(jīng)常求助于3D打印來實現(xiàn)這一領(lǐng)域的進展。例如，2021年10月，國防部向高超音速研發(fā)項目提供了2550萬美元，預(yù)計這些項目將部署3D打印、機器學(xué)習(xí)和無損檢測方法來推進高超音速飛行。

大約在同一時間，美國海軍水面作戰(zhàn)中心達爾格倫分部（NSWCDD）也宣布，它打算加倍進行高超音速研發(fā)。該組織利用3D打印等先進技術(shù)，與約翰-霍普金斯大學(xué)和邁阿密大學(xué)合作，說它的目標是將達爾格倫作為海軍在高超音速武器集成方面的領(lǐng)頭羊。