讓火箭零件減少100倍，看Relativity Space 如何用3D打印機造火箭

導讀：昨天，南極熊整理了一篇關于國內(nèi)商業(yè)航天公司紛紛使用3D打印技術來制造火箭發(fā)動機零件的文章，有讀者留言讓關注一下Relativity Space這家公司，實際上南極熊之前也多次報道過這家公司如何使用3D打印技術來制造火箭的。他們在火箭上使用3D打印技術更加深入，甚至已經(jīng)發(fā)射過“全3D打印”的火箭。

本文我們就來進一步回顧一下，Relativity Space 是如何使用3D打印技術來制造火箭的，僅供參考。

△Relativity Space開發(fā)的火箭發(fā)動機引擎

△視頻講解Relativity Space如何3D打印火箭

首枚3D打印火箭發(fā)射“失敗”但也算成功

2023年3月23日，世界上首枚3D打印火箭在第三次嘗試發(fā)射中取得了一定的成功，但在第二級點火時出現(xiàn)異常未能進入軌道。雖然這次發(fā)射“失敗”，但仍然是3D打印火箭的一大進步，因為此前并沒有人這樣做。

△一級發(fā)動機驅(qū)動階段，火箭時速達到7000KM/H以上

此次發(fā)射的“3D打印火箭”名為Terran 1 ，由Relativity Space公司研發(fā)，由于這次是發(fā)射試驗，因此火箭上沒有裝載衛(wèi)星等產(chǎn)品，只有一些打印失敗的零件?；鸺?33米，寬 2.3米，這是一款兩級一次性火箭，第一級有九個3D 打印的發(fā)動機，第二級有一個發(fā)動機。所有發(fā)動機都是完全 3D 打印的，并使用液態(tài)氧和液態(tài)天然氣作為燃料 。

Terran 1系列火箭是一款幾乎完全是通過3D打印技術打造的火箭，這意味著整個機身和發(fā)動機的幾乎所有部件都是通過自研的DED 金屬3D打印機或金屬PBF 3D打印機打印的。據(jù)悉，公司擁有三臺大型 EOS M400 系統(tǒng)、四臺 Velo3D Sapphire系統(tǒng)和內(nèi)部開發(fā)的巨型 Stargate 金屬 DED 系統(tǒng)。

△DED 技術3D打印火箭金屬部件

△Relativity Space 總部的DED 3D 打印機

△Relativity Space 工廠內(nèi)的PBF 金屬3D打印機

△Relativity Space 工廠內(nèi)的大型DED 3D打印機

自研大型DED 金屬3D打印機

為了3D打印火箭零部件，Relativity Space 自研了DED 金屬3D打印機，這種設備適合打印大型的金屬零部件。2022年10月，Relativity Space推出了其星際之門（Stargate）3D打印機的第四代版本。四代版本打印速度相較三代版本提升了7倍！還能生產(chǎn)長達36.6m、寬7m的部件！其產(chǎn)能比三代高出55倍！

據(jù)Relativity Space稱，第四代系統(tǒng) "打破了傳統(tǒng)的打印限制"，它可以水平制造，將多條線送入一個打印頭。公司正在開發(fā)和生產(chǎn)Terran R的部件，這是一款即將開發(fā)完成的火箭，將能夠向低地球軌道（LEO）發(fā)射多達20,000公斤的貨物。

Relativity Space 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO 蒂姆-埃利斯（Tim Ellis）說："未來航空航天領域的大型裝備將不可避免地采用3D打印技術。產(chǎn)品越輕，性能越好，當使用3D打印制造飛行產(chǎn)品時，每一次連續(xù)的改進也會使其生產(chǎn)速度更快，成本更低。目前我們?nèi)蕴幱诖蛴〖夹g開發(fā)部件的早期階段，其技術迭代的可能性依然很高。"

說到打印質(zhì)量，新的 "星際之門 "具有先進的遙感技術，它結(jié)合了計算機視覺、傳感器和遙測技術來解鎖實時過程監(jiān)控。打印機的軟件借鑒了機器學習方法，允許創(chuàng)建更復雜和更大的金屬零件。

第四代DED 3D打印機將成為制造 "Terran "R的主要生產(chǎn)工具，這種方式能夠從根本上減少零件數(shù)量。此外，火箭還將使用內(nèi)部開發(fā)的獨特材料，據(jù)說這種材料更輕，加工速度更快，從而釋放出下游的成本節(jié)約。

在未來的幾年里，新的 "星際之門 "系統(tǒng)將極大地改變供應鏈，因為它能在幾個月內(nèi)用少100倍的零件生產(chǎn)火箭。因此，最新系統(tǒng)能夠加速航空航天領域的進步和創(chuàng)新，同時也能在利潤豐厚的航空、能源和國防領域有所收獲。

△左圖：Terran1火箭  右圖：具有20倍有效載荷能力的Terran R火箭

蒂姆-埃利斯（Tim Ellis）補充說："星際之門 3D 打印機為大規(guī)模制造產(chǎn)品的創(chuàng)新提供了機會。由于高度適應性、可擴展性和自動化過程，通過軟件驅(qū)動的制造，傳統(tǒng)的航空航天和空間制造商需要花費數(shù)年時間來開發(fā)和建造的產(chǎn)品將被減少到幾個月。我們認為3D打印是一種自動化技術，有能力改變制造業(yè)的創(chuàng)新步伐，這就是為什么我們從第一天起就投資建立我們自己的專有技術庫。"

創(chuàng)始人蒂姆·埃利斯（Tim Ellis）并不是第一個想到 3D 打印整個火箭的人，當時3D 打印部件已經(jīng)在 NASA 火箭上使用了，但他們決心將制造火箭的成本從幾億降至幾百萬，并保持這樣的初心進行研發(fā)和生產(chǎn)。此次研發(fā)的增材制造平臺是一臺大型3D打印機，可以在不到 60 天的時間內(nèi)制造出零件數(shù)量減少十分之一的火箭。此3D打印機使用多個安裝了激光器的Kuka機械臂，并將鋁金屬線送入激光器的焦點，可以對組件進行 3D 打印。為了在打印過程中熔化和融合材料，Stargate 使用了高功率激光和等離子弧技術。

2024年6月，從Relativity Space 發(fā)布的最新視頻中可以看到，團隊已經(jīng)開始了長持續(xù)時間的測試 Aeon R 發(fā)動機，以 100% 的功率點火 180 秒，這是 Terran R 第一級飛行的最大持續(xù)時間加上余量。

值得學習