印度3D打印IN718合金燃料喷射器,并展示出导弹终端应用潜力

2021 年 12 月 07 日

      2021年12月6日,印度国防冶金研究实验室(DMRL)的研究人员使用3D打印技术创建了一个升级版的燃料喷射器,可以使地对空导弹的推进成本降低。该团队通过采用PBF 3D打印技术,将一个三角形截面整合到他们的喷油器设计中,这使得之前需要组装的两个部件可以被整合到一个单独的、流动优化的装置中。工程师们表示,这样做不仅不需要使用昂贵的电子束焊接(EBW)方法,还创建了独特的、网格状的轻量化元件。
DMRL团队的拓扑优化燃料喷射器的3D模型。图片来自印度国家工程院。
  印度国家级的导弹研发战略
       自2009年以来,DMRL的新型制造技术小组一直在使用Optomec LENS-750系统,用钢、钛和各种超级合金打印导弹原型部件。在这个过程中,该小组的工程师已经发现了增材技术对比传统的航空航天生产工艺之下的优势,特别是在设计自由度和交货时间方面。然而,在印度Vikram Sarabhai太空中心的类似推进器项目取得成功后,研究人员决定放弃DED技术,并决心设计一个自己的燃料喷射器。工程师们表示自从转向PBF工艺后,他们已经能够针对现有的导弹部件,以一种在不妨碍其结构完整性的情况下的方式重新设计它,并消除了对支撑物的需求。该团队在论文中说:"由于传统制造业的限制,设计者没有太多的灵活性来实现更有效的设计以及创造出更轻和更强的部件,他们只是被迫专门为制造而设计部件。3D打印作为一种解决方案,可以按照设计者的概念化、设计和建模来制造部件。"

研究人员的3D打印导弹燃料喷射器的光学显微组织图像。图片来自印度国家工程院。
  改造后的航天部件
      在DMRL团队的PBF实验中,他们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。这些部件由"喷射器"和"环形"元件以及用于燃料和氧化剂输出的三个大孔组成,通常通过CNC加工和EDM生产,然后用EBW熔合。
      据工程师们说,这种方式所生产出的装置元件大多会超重,很大程度上影响了性能和效率,同时还必须为其复杂的内部几何形状提供支撑。另一方面,通过改用PBF和采取DfAM的方法,DMRL的研究人员能够将他们的喷射器作为一个打印元件来生产,其新的66.4°横截面使其能够不受支撑。在他们的改造中,该团队还设法升级了零件的流道,以及从其低应力区域移除材料,并在其底部引入超轻网格结构。
工程师们使用IN718镍合金在EOS-M400DMLS机器在30小时内3D打印了一个燃油喷射器的原型,然后观察了其SEM图像,并进行了机械测试。结果发现该部件具有良好的内部空腔区域,并被证明是密集构建的,没有任何主要的孔隙或裂缝来削弱其结构刚性。
     此外,在测试过程中,该装置表现出500至600MPa的抗压强度,以及令人印象深刻的硬度和抗拉强度特性,研究小组称这些特性要优于那些传统的熔化和铸造的IN718。因此,研究人员得出结论,他们已经成功地证明了他们基于3D打印的方法的可行性,以及应用到终端燃料喷射器的最终潜力。然而,他们也表示需要对打印元件进行更多的钻机测试,以评估他们部件的功能效率,进一步的分析可以帮助确定更好的设备优化机会。
美国国防机构长期以来一直在试验导弹的3D打印技术。图片来自美国国防部。
  3D打印在火箭发射上的应用
      随着大尺寸金属3D打印机的能力不断扩大,其航空航天应用也在不断扩大,世界各地的国防机构已经对该技术进行了广泛的测试。就在去年,研究机构ASTRO美国公司在DARPA委托的一项研究之后,提议建立一个高超音速导弹生产设施,该设施有可能配备3D打印机在美国陆军研究实验室的一个3D打印导弹部件项目中,它已经获得了Senvol及其机器学习软件的帮助。Senvol公司利用其专有的人工智能算法,已签约开发一个灵活的认证计划,可适用于任何部件或增材制造系统。在其他地方,3D打印也被用于在更广泛的航空航天领域制造推进器,Agile Space现在加入了Launcher和Rocket Lab等长期客户的行列,并计划使用增材技术来开发升级的推进系统。
     研究人员的发现详见他们的论文,题为 "3D Printing of FuelInjector in IN718 Alloy for Missile Applications",该论文由Saride Ramesh Kumar、V. Srinivas、G. Jagan Reddy、M. Raghavender Rao和T. Raghu共同撰写。

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