NASA借助3D打印技術實現經濟實惠的火箭發動機制造
早在2014年，當NASA首次嘗試用銅制造火箭發動機部件時，工程師們也擔心他們可能會浪費時間。然而，最新的結果證明，銅金屬的3D打印打開了實現經濟實惠的火箭發動機制造的又一扇大門。
視頻：NASA的LCUSP項目。來源：NASA
復雜的冷卻通道成就下一代發動機
銅似乎不適合用于3D打印來加工，因為這種金屬容易直接反射3D打印機的激光束。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制。
繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對3D打印的GRCop-84組件進行熱火試驗后，該團隊開始開發GRCop-42。NASA 希望通過該材料具有與GRCop-84相似強度，但具有更高導熱率。NASA 研究人員表示，通過該材料制造的增材制造發動機燃燒室組件將“超過傳統方式制造的上一代產品”。
根據NASA的LCUSP計劃，NASA的銅基和鎳基合金3D打印技術已經發展到這些技術所制造的零件通過熱火試驗。
不過3D打印銅合金所制造的燃燒室所面臨的一大挑戰是如何經受住6,000華氏度的火箭燃料燃燒。為了防止銅過熱，火箭工程師設計了具有復雜微小通道的燃燒室，通過泵送冷卻劑來實現散熱，從而保持溫度平衡，保證發動機不受損壞。
銅合金燃燒室零部件內外壁之間具有200多個復雜的通道，制造這些微小的、具有復雜幾何形狀的內部通道，即使對增材制造技術來說也是一大挑戰。部件打印完成后，NASA的研究人員使用電子束設備為其涂覆一層含鎳的超合金。
這些復雜的通道通過傳統制造工藝來實現則相對較慢且成本較高，3D打印將永遠改變這一點。NASA通過GE旗下的Concept Laser的選區激光熔化設備實現這些復雜的內部通道，并使得火箭發動機的設計更加緊湊和輕量化。
挑戰仍然存在，3D打印的腔室壁和內部冷卻劑通道仍然不像NASA研究人員所希望的那樣光滑，目前NASA正在進行若干實驗以平滑這些通道，或者通過改進打印過程找到更好的方法來平滑表面。
NASA的成就來自于其在材料和火箭科學領域的跨界結合，NASA位于俄亥俄州的格倫研究中心中，材料科學家在銅中添加一點鉻和鈮可增加金屬強度和抗疲勞性。
NASA的最終目標是要是要使火箭發動機零部件的制造速度大幅提升，同時至少降低50%的制造成本。
Review
多家制造企業在開發銅合金3D打印工藝。國內金屬3D打印企業鉑力特已在銅金屬激光成形領域取得了進展，研制出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了復雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。國際上，Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領域取得的突破，為制造新一代RL10發動機帶來了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統工藝制造的，由多個不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個銅合金零件構成。
視頻：3D打印銅合金火箭部件的全過程。來源：Launcher
初創的航天企業Launcher 與合作伙伴3T、EOS 也開發了3D打印銅合金火箭發動機部件，3D打印技術的應用可以減少發動機零件數量，縮短開發時間，并且更加易于制造復雜功能集成的部件，Launcher 開發的3D打印銅合金（Cucrzr）發動機部件就集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發動機冷卻效率得到提升。
關于銅的3D打印用激光器，根據IDTechEx Research 的《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術、市場與預測》報告，過去 30 年來，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價格卻呈指數級下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術，同時也使全新的光學技術成為可能。
2018 年，島津公司擬（日本）實現了其 BLUE IMPACT 藍光沖擊二極管激光器的商業化，。島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關鍵應用是銅材料的 3D 打印。銅對藍色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰。新研發的 3D 打印機可以用純銅粉高效打印物體。現有的 3D 打印機技術一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來代替純銅。
IDTechEx Research 預計，隨著更多產品的商業化，從 2019 年起，藍光 DDL 將會很快應用于銅加工領域。
(責任編輯：admin)
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