3D打印导弹推进器极大节约燃料

印度国防冶金研究实验室(DMRL) 的研究人员使用 3D 打印制造了一种改进的燃料喷射器,可以以较低的成本推进地对空导弹。

通过采用 PBF 3D 打印,并将三角形横截面集成到他们的注射器设计中,该团队已经能够将通常需要组装的两个部件整合到一个单一的、流量优化的设备中。工程师们表示,这样做时,他们不仅设法避免使用昂贵的电子束焊接 (EBW),而且还内置了独特的格状减重元件。

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DMRL 团队拓扑优化喷油器的 3D 模型。图片来自印度国家工程院。

印度政府支持的导弹研发 

自 2009 年以来,DMRL 的新型制造技术小组一直使用Optomec LENS-750 系统打印钢、钛和各种超级合金制成的导弹原型部件。在此过程中,该集团的工程师已经确定了该技术与传统航空航天生产工艺相比的优势,尤其是在设计自由度和交付周期方面。

然而,随着印度Vikram Sarabhai 航天中心类似推进器项目的成功,研究人员决定放弃 DED 技术,并设计自己的燃料喷射器。通过转向 PBF,工程师们现在表示,他们已经能够采用现有的导弹部件,并以一种无需支撑的方式重新设计它,同时又不妨碍其结构完整性。 

该团队在论文中说:“由于传统制造的局限性,设计师没有太多的灵活性来创造更轻、更坚固、设计更好、更高效的零件,而是 [他们] 被迫设计专门用于制造的组件。” . “3D 打印作为一种解决方案来制造由设计师概念化、设计和建模的组件。”

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研究人员 3D 打印导弹燃料喷射器的光学显微镜图像。图片来自印度国家工程院。

一张经过改造的通向天空的门票

对于他们的 PBF 实验,DMRL 团队选择重新设计一个燃料喷射器部件,该部件通常用于导弹或火箭的反应控制系统中,为它们提供高度控制。由“喷射器”和“环”元件以及用于燃料和氧化剂输出的三个大孔组成,这些部件通常通过 CNC 加工和 EDM 生产,然后与 EBW 融合在一起。

据工程师称,以这种方式单独生产设备的元件会使它们“超重”并“影响其性能和效率”,同时需要为其复杂的内部几何结构提供支撑。

另一方面,通过切换到 PBF 并采用 DfAM 方法,DMRL 研究人员能够将他们的注射器生产为一个打印件,具有新的 66.4° 横截面,使其能够在没有支撑的情况下站立。在他们的改造中,该团队还设法升级了零件的流动路径,并从其低应力区域去除了材料,并将超轻型晶格引入其底部。

工程师完成对燃油喷射器的检修后,他们使用EOS-M400 DMLS 机器在 30 小时内用 IN718 镍合金3D 打印了原型,然后对其进行了 SEM 和机械测试。结果发现部件具有“形成良好的内部空腔区域”,并被证明“结构密集,没有任何大孔或裂缝”,从而削弱了其结构刚度。

此外,在测试过程中,该设备表现出 500 至 600 MPa 的抗压应力,以及令人印象深刻的硬度和拉伸强度特性,该团队称这些特性“优于传统熔铸 IN718 的特性”。

因此,研究人员得出结论,他们已经成功证明了他们基于 3D 打印的方法的可行性以及他们的燃料喷射器的最终使用潜力。然而,他们还表示,需要进行更多的台架测试来评估其部件的“功能效率”,而进一步的分析可以帮助确定进一步的设备优化机会。

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美国国防机构长期以来一直在试验导弹 3D 打印技术。图片来自美国国防部。

3D打印的启动应用

随着大幅面金属 3D 打印机的功能不断扩展,它们的航空航天应用也在不断扩展,并且该技术已经过世界各地国防机构的广泛测试。就在去年,研究组织ASTRO America提议在接受DARPA委托研究后建造一个高超音速导弹生产设施,该设施可能配备 3D 打印机。

作为自己的使命的一部分,3D打印合格的导弹部件,在美国陆军研究实验室已经入伍的帮助Senvol和机器学习软件。使用其专有的 AI 算法,该公司已签约开发灵活的“资格计划”,该计划可应用于任何组件或增材制造系统。

在其他地方,3D 打印也被用于制造更广泛的航空航天领域的推进器,Agile Space现在加入了Launcher和Rocket Lab等长期采用者的行列,使用该技术开发升级的推进系统。

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