火箭發(fā)動機輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計與3D打印探索

基于粉末床選區(qū)激光熔化的金屬3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)零件方面，給予了設(shè)計師更廣闊的設(shè)計空間。利用金屬3D打印技術(shù)在實現(xiàn)復(fù)雜性結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢和專有的建模軟件，設(shè)計師可以實現(xiàn)出多種的輕量化結(jié)構(gòu)。莫納什大學(xué)的科研團隊通過金屬3D打印設(shè)備和輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，對火箭發(fā)動機零件進行了再設(shè)計和探索，該科研項目的其中一個研究成果是一個火箭發(fā)動機輕量化3D打印零件。

通過EOS M280 打印的火箭發(fā)動機輕量化零件原型

實現(xiàn)輕量化的途徑：增材設(shè)計思維+金屬3D打印

莫納什大學(xué)在航空航天增材制造領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗積累，其科研團隊和大學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司Amaero Engineering ，曾與法國宇航企業(yè)賽峰集團合作，開發(fā)了兩臺3D打印的噴氣式發(fā)動機，目前該發(fā)動機已經(jīng)進入到商業(yè)化階段。除了在飛機發(fā)動機增材制造方面的研究，莫納什大學(xué)和Amaero Engineering還與Betatype合作，通過Betatype復(fù)雜晶格建模軟件平臺Engine-Platform 開發(fā)火箭發(fā)動機輕量化零件。

在這個研究項目的最后一年，莫納什大學(xué)的團隊開發(fā)了一系列體現(xiàn)3D打印特點的概念性火箭零件，其中一個零件是火箭壁內(nèi)的帶有隨形冷卻夾芯結(jié)構(gòu)的輕量化零件。由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要，莫納什大學(xué)團隊自己開發(fā)了腳本指定零件中的微格結(jié)構(gòu)，通過Engine-Platform軟件中開放的 Arch格式，研究團隊能夠避免因創(chuàng)建網(wǎng)格結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。軟件中抽象的算法，大大降低了CAD模型數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，使得模型數(shù)據(jù)更容易管理。

通過Concept Laser X-Line 打印的火箭發(fā)動機輕量化零件原型

在設(shè)計完成之后，莫納什大學(xué)通過EOS M 280 金屬3D打印設(shè)備和不銹鋼316L材料制造了一批零件的原型，并通過 Concept Laser X-Line 金屬3D打印設(shè)備打印一組尺寸較大的零件原型。

實現(xiàn)輕量化主要有兩種途徑，宏觀層面上可以通過采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等材料來達到目的。微觀層面上可以通過采用高強度結(jié)構(gòu)鋼這樣的材料使零件設(shè)計得更緊湊和小型化，有助于輕量化。而3D打印通過實現(xiàn)特殊的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，為實現(xiàn)輕量化提供了新的可行性。

在設(shè)計輕量化結(jié)構(gòu)零件時，需要結(jié)合整個零件的功能實現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。輕量化結(jié)構(gòu)零件由基本結(jié)構(gòu)、外形結(jié)構(gòu)及超輕結(jié)構(gòu)合成，在這個過程中，體現(xiàn)出設(shè)計能力的水平。

在國內(nèi)外的金屬3D打印企業(yè)中，英國雷尼紹、西安鉑力特等金屬3D打印企業(yè)也針對增材制造輕量化結(jié)構(gòu)進行了大量探索，例如，鉑力特針對中空夾層、薄壁加筋，鏤空點陣，功能集成的一體化這四種典型的輕量化結(jié)構(gòu)進行了探索，通過輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計和金屬3D打印設(shè)備為航空航天、汽車等機械輕量化零件的制造提供解決方案。
在設(shè)計軟件領(lǐng)域，Altair的solidThinking Inspire 拓撲優(yōu)化軟件在設(shè)計輕量化3D打印零部件領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，例如，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)的科研團隊通過Inspire軟件，基于金屬3D打印的方式重新設(shè)計了轉(zhuǎn)向柱底座,將必要部件數(shù)量從四個減少為一個,節(jié)省了35%的重量(從500g減少至330g)。

來源：3D科學(xué)谷
延伸閱讀：
【詳解】3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機維修中的應(yīng)用
3D打印金屬天線陣列，可用于軍事及航空航天領(lǐng)域