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超越世界的技術(shù)：3D打印在航空航天行業(yè)中的作用
2020-04-17 14:21:45
來(lái)源：孜然實(shí)驗(yàn)室
3D打印正在改變?nèi)驇缀趺總€(gè)行業(yè)，它改變我們?cè)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)服裝的方式，它改變汽車(chē)的制造和交付方式，甚至進(jìn)入了我們的廚房。您可能在辦公桌上有一臺(tái)3D打印機(jī)。
增材制造業(yè)務(wù)以每年約24％的速度增長(zhǎng)，全球3D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到約210億美元。3D打印的需求正以驚人的速度增長(zhǎng)，這是由不斷擴(kuò)大的新一輪創(chuàng)業(yè)浪潮以及更有效的3D打印材料、設(shè)備和技術(shù)帶動(dòng)的。
我們很高興看到行業(yè)內(nèi)有如此眾多的公司采用增材制造。其中一個(gè)行業(yè)可能會(huì)從3D制造業(yè)中受益，從而幫助人們從一個(gè)國(guó)家到另一個(gè)國(guó)家，到月球以及甚至更遠(yuǎn)的地方。您可能猜到了，這就是航空業(yè)。
超越
圖片：NASA
早在1989年，隨著新興技術(shù)的采用，航空航天業(yè)就開(kāi)始從3D打印中受益。在隨后的幾十年中，這種技術(shù)不斷發(fā)展。航空航天業(yè)中的3D打印可能不如鞋類(lèi)或汽車(chē)制造業(yè)那樣引人注目，但是新興技術(shù)帶來(lái)的變化最終可以幫助我們的物種殖民新行星。
像許多其他行業(yè)一樣，3D打印之所以吸引人，是因?yàn)樗试S公司快速制作想法原型，或以比標(biāo)準(zhǔn)制造方法少得多的成本和更少的時(shí)間創(chuàng)建功能完備的零件。定制3D打印將使工程師能夠按需打印零件，以滿(mǎn)足可能的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)或維修工作。簡(jiǎn)而言之，曾經(jīng)復(fù)雜昂貴的零件將比以往任何時(shí)候都更輕、更可靠、更快，這對(duì)于航空業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。
航空業(yè)增材制造在2015年占3D打印總收入的16％，被用于幫助民用飛機(jī)、新型航天器甚至衛(wèi)星生產(chǎn)。今天，我們將探索增材制造對(duì)航空航天業(yè)產(chǎn)生影響的一些最令人振奮的方式。
3D打印火箭將人類(lèi)帶入火星
圖片：NASA
如果您確實(shí)擁有一臺(tái)3D打印機(jī)，那么您可能已經(jīng)花費(fèi)了許多小時(shí)進(jìn)行3D打印各種小物體，甚至是火箭嗎？您的標(biāo)準(zhǔn)3D打印機(jī)使用一種熱塑性材料，該材料在與打印機(jī)噴嘴接觸時(shí)會(huì)熔化，在碰到打印表面時(shí)會(huì)立即冷卻凝固。但是，您可能不知道可3D打印也可以打印各種材料，包括金屬。多年來(lái)，金屬的增材制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟。昂貴的金屬零件和組件的生產(chǎn)對(duì)NASA以及諸如SpaceX或Virgin Orbit這樣的私人組織的太空計(jì)劃非常有吸引力。
實(shí)際上，NASA和Virgin Orbit已經(jīng)開(kāi)始測(cè)試3D打印火箭燃燒室。Virgin Orbit利用其資源向發(fā)射通常攜帶小型衛(wèi)星進(jìn)入太空的火箭。最近，Virgin Orbit邀請(qǐng)NASA的專(zhuān)家來(lái)創(chuàng)建3D打印燃燒室，這是一種“結(jié)合多種材料并利用尖端技術(shù)的制造工藝”。燃燒室被視為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，燃料在這里與氧化劑混合并爆炸。
Virgin Orbit使用一種銅合金制作了火箭燃燒室。他們使用了高壓液氧/煤油作為推進(jìn)劑，燃燒室在24次，60秒的測(cè)試點(diǎn)火中成功獲得了超過(guò)2000磅的推力。
NASA高級(jí)工程師保羅·格雷德（Paul Gradl）對(duì)該項(xiàng)目感到興奮，他說(shuō)：“傳統(tǒng)上，制造、測(cè)試和交付常規(guī)燃燒室需要花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間。我們可以大大減少這一時(shí)間。”
“增材制造旨在擴(kuò)展和增強(qiáng)傳統(tǒng)工藝。它意味著新的設(shè)計(jì)和更好的性能，并生產(chǎn)出了高度耐用的硬件。通過(guò)這種合作關(guān)系，我們正在進(jìn)一步提高這種能力。”
在不久的將來(lái)，通過(guò)增材制造工藝生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以帶我們進(jìn)入火星。
商用飛機(jī)開(kāi)始使用3D打印零件
顯然，沒(méi)有人會(huì)使用桌面3D打印機(jī)打印零件并將它們放在飛機(jī)上以節(jié)省資金。盡管如此，工業(yè)高端3D制造零件已經(jīng)進(jìn)入了一些商用飛機(jī)，這是有充分的理由的。根據(jù)一些研究，可使用3D打印將某些飛機(jī)部件的重量減輕40-60％之多。這僅僅是開(kāi)始，數(shù)據(jù)表明，使用3D打印設(shè)計(jì)和制造的單個(gè)組件可將空氣阻力降低2.1％，從而將燃料成本降低5.41％?？罩锌蛙?chē)已經(jīng)在其A350 XWB飛機(jī)上安裝了1000多種3D打印零件。
增材制造使波音和空中客車(chē)等公司能夠加快生產(chǎn)速度。該行業(yè)最大的挑戰(zhàn)之一是滿(mǎn)足所有商用飛機(jī)訂單，兩家公司都積壓了5000-8000架飛機(jī)訂單。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年需求還會(huì)增加，增材制造可能會(huì)成為大殺器。據(jù)估計(jì)，到目前為止，波音公司已經(jīng)為飛機(jī)使用了60000個(gè)3D打印零件。
3D打印的無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星
圖片：Stratodyne LLC
衛(wèi)星可能會(huì)很昂貴。但是，您可能已經(jīng)猜到了，增材制造可以解決這個(gè)問(wèn)題?？罩锌蛙?chē)公司國(guó)防與太空部門(mén)的工程師使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)鈦金屬框架，該框架能夠承受-170℃至100℃的溫度范圍。多虧了增材制造的力量，與以前的衛(wèi)星迭代相比，該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑸a(chǎn)成本降低多達(dá)20％，從而創(chuàng)造出了更輕巧且?guī)缀蝺?yōu)化的產(chǎn)品。
初創(chuàng)公司Stratodyne LLC也在航空航天業(yè)中掀起了波瀾。團(tuán)隊(duì)利用其快速原型制作方法來(lái)制造定制的平流層衛(wèi)星，這些衛(wèi)星可以在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)部署到目標(biāo)位置附近。衛(wèi)星可以提供從資產(chǎn)監(jiān)控到科學(xué)測(cè)量的所有內(nèi)容。這些廉價(jià)，可持續(xù)的衛(wèi)星替代方法甚至可以用于電信、遙感或地理空間數(shù)據(jù)收集。
圖片：Stratodyne
正如Statodyne團(tuán)隊(duì)所述，“與常規(guī)衛(wèi)星需要數(shù)月的測(cè)試、數(shù)百萬(wàn)美元和數(shù)周的時(shí)間才能在所需的軌道位置上運(yùn)行不同，我們的衛(wèi)星可以在不到一天的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行部署，而成本卻很小。”
“常規(guī)衛(wèi)星在死亡后會(huì)成為危險(xiǎn)的太空垃圾，在發(fā)射期間會(huì)釋放數(shù)百?lài)崪厥覛怏w，但我們的StratoSats可以返回地面并重新發(fā)射以執(zhí)行新的任務(wù)，在我們的星球上或其他地方幾乎沒(méi)有留下足跡。”
最后，Stratodyne目前正在開(kāi)發(fā)能夠延長(zhǎng)飛行時(shí)間的近太空無(wú)人機(jī)，以作為衛(wèi)星的廉價(jià)替代品。
3D打印將使前往深空的旅程更加容易
圖片：NASA
計(jì)劃一個(gè)一星期的假日旅行要消耗不少精力。想象一下，為未知領(lǐng)域的旅行計(jì)劃后勤工作，在這個(gè)過(guò)程中，旅行本身將花費(fèi)6-8個(gè)月。對(duì)于那些試圖將我們送往火星的組織來(lái)說(shuō)，這是當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)。根據(jù)NASA的說(shuō)法，為居住在距地球僅約400公里的國(guó)際空間站上的宇航員的生活，每年需要向國(guó)際空間站提供3175千克的備件，13154千克的航天硬件備件，以及準(zhǔn)備好額外17690千克的備件。
國(guó)際空間站離地球很近，這一切都是相對(duì)容易的。但是，這在登上月球和火星時(shí)變得不切實(shí)際。另外，如果您將足夠的物資裝進(jìn)大型航天器，那將是非常昂貴的，而且效率很低。然而，這正是3D打印可以拯救的地方。
NASA馬歇爾太空飛行中心的太空制造部門(mén)（ISM）目前正在研究3D打印技術(shù)可以減輕太空任務(wù)的方式。ISM合作伙伴已經(jīng)開(kāi)發(fā)了熔絲制造3D技術(shù)。該過(guò)程涉及將連續(xù)的塑料線通過(guò)加熱的擠出機(jī)進(jìn)料，并逐層疊加到托盤(pán)上以產(chǎn)生三維物體。當(dāng)前，有研究正在探索太空中最有效的3D打印方法，從而使宇航員可以打印簡(jiǎn)單的日常工具。
在一個(gè)示例中，地面的研究人員能夠向國(guó)際空間站上的宇航員發(fā)送扳手的3D設(shè)計(jì)。ISM的其他研究包括正在探索在太空中打印更耐用的材料的可能性。最終的目標(biāo)是什么？想象一下，能夠完全打印功能性3D零件，而無(wú)需等待地球上的補(bǔ)給。
圖片：NASA
“最終，ISM對(duì)于未來(lái)的太空探索任務(wù)至關(guān)重要。在空間站上測(cè)試這些制造系統(tǒng)將為使這些任務(wù)更獨(dú)立于地球鋪平道路。它啟動(dòng)了低地球軌道的商業(yè)化開(kāi)發(fā)，同時(shí)減輕了地面的庫(kù)存壓力。” NASA
最后，研究人員目前正在研究在太空中打印食物的方法。太空食物最終應(yīng)該是最美味的食物。以3D打印行業(yè)目前的創(chuàng)新速度，宇航員可能很快將不僅能夠打印各種食品，而且能夠打印滿(mǎn)足個(gè)人口味的菜肴。
走向未來(lái)
航空航天業(yè)的增材制造令人興奮。從關(guān)鍵零件的原型制作到功能齊全的零件的整體生產(chǎn)，它改變了整個(gè)行業(yè)的面貌。增材制造還有助于提高生產(chǎn)速度和可靠性，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。
3D打印技術(shù)可以應(yīng)用于未來(lái)太空旅行的所有潛在方式，令全世界太空機(jī)構(gòu)的人們感到興奮。在不久的將來(lái)，3D打印可能在建立火星上的長(zhǎng)期殖民地方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。通過(guò)將人工智能和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，增材制造可以在創(chuàng)造長(zhǎng)期文明中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 |
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