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冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度

根據3D科學谷的市場研究,專案中冷噴塗技術與熱噴塗方法不同,塗層氣孔率很低,基體材料和塗層的熱負荷很小,材料氧化少,消除了塗層中結晶化不均勻的現象。根據3D科學谷的市場瞭解,除了不需要焊接或機加工就能製造全新零件以外,冷噴技術令人興奮之處在於,它能夠將修復材料與零件融為一體,完美恢復零件原有的功能和屬性。這樣就能有效延長零件使用壽命幾年,甚至幾十年。

冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度


冷噴塗工作影片

冷噴塗成就的堅固外表

根據3D科學谷,冷噴塗令人著迷的地方在於細粉材料在高速壓縮氣體射流中被加速,能夠將修復材料與零件融為一體,這使得冷噴塗增材製造技術可以用於製造各種新奇的材料,甚至可以應用在磁鐵的製造上,並提供了許多新的設計可能性,這是使用壓縮和注塑成型等技術無法實現的。此外,冷噴塗技術還可以在其他增材製造技術所製造的零件的基礎上進行結構製造,以加快製造速度,降低製造成本。

快且堅固

冷噴塗增材製造是冷噴塗工藝的一種特殊應用,用於生產獨立零件或在現有元件上構建特徵。冷噴塗是一種塗層沉積方法,其中細粉末顆粒在高速氣流中加速。在與物體撞擊期間,顆粒變形並結合在一起,在表面上形成一層。為了達到一致的厚度,噴嘴沿著物體反覆移動。沉積物逐層堆積,形成零件或元件。

冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度


冷噴塗技術特點 3D科學谷白皮書

冷噴塗增材製造工藝不同於原料被熔化的選區鐳射熔化或電子束增材製造。冷噴塗增材製造不會發生金屬粉末熔化,因為它是一種固態塗層沉積工藝。沒有與熱有關的變形,這使得能夠逐層構建結構,從而允許構建或修復非常大的物件。金屬和金屬基複合材料是可以使用冷噴塗增材製造沉積的粉末型別。

冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度


使用冷噴塗構建用於增材製造的大型零件外表 NASA

根據3D科學谷的市場觀察,美國宇航局NASA 首次在其發動機部件上採用併成功測試了冷噴塗沉積 (CSD) 的技術。美國國家航空航天局(NASA)與Aerojet Rocketdyne合作,共同開發3D列印技術(金屬增材製造技術),目前在3D列印著陸器和液體火箭發動機方面取得了不斷的突破性進展。

冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度


3D列印火箭推力室的技術邏輯 3D科學谷白皮書

冷噴塗(CSD)技術 用於在 7,999 磅級的燃燒室外部新增 NASA 的 HR-1 材料(一種鎳基合金,可在極端環境中抵抗腐蝕、氧化和脆化)的保護套。Aerojet Rocketdyne 與NASA合作建造的著陸器發動機。冷噴技術可以幫助將發動機部件的成本和交貨時間降低多達 50%。

根據3D科學谷《 深度剖析NASA採用多合金增材製造和複合材料實現輕質可重複使用的推力室元件》一文,冷噴塗透過壓縮的高速超聲波氣體將未熔化的粉末加速到基材上,材料發生變形並透過動能衝擊時堆積在表面上,形成與固體材料的結合。冷噴塗機理是機械互鎖和冶金的結合,這些結合是由於在高應變的顆粒介面上發生的再結晶而造成的。冷噴塗之所以具有優勢,是因為它不會熔化材料,因此與其他工藝相比,降低了產生熱殘餘應力,金屬間化合物形成,氧化和熱量輸入變形的可能性。

冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度


在PBF增材製造技術加工出來的銅合金燃燒室表面冷噴塗NASA HR-1和鎳的早期試驗

NASA

冷噴塗技術於熱噴塗方法不同,塗層氣孔率很低,基體材料和塗層的熱負荷很小,材料氧化少,消除了塗層中結晶化不均勻的現象。根據3D科學谷的市場瞭解除了不需要焊接或機加工就能製造全新零件以外,冷噴技術令人興奮之處在於,它能夠將修復材料與零件融為一體,完美恢復零件原有的功能和屬性。這樣就能有效延長零件使用壽命幾年,甚至幾十年。

冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度


NASA

TRL6

透過模擬工作火箭發動機的極端環境的嚴格熱火測試,NASA 基本上批准了在製造發動機部件中使用 冷噴塗CSD技術。該批准使關鍵元件的製造商能夠自信地將 CSD冷噴塗技術新增到他們的金屬增材製造工具箱中。

透過測試還允許 NASA 將冷噴塗製造的元件技術就緒級別 (TRL) 指定為 6,這意味著這是一個功能齊全的原型或代表性模型。( TRL 用於評估技術或產品成熟度水平的指數)

燃燒室腔體本身由銅合金透過選區鐳射熔化技術3D列印而成,具有出色的傳熱效能,但需要在結構上進行加固。選區鐳射熔化技術非常適合腔室,因為選區鐳射熔化3D列印技術能夠製造出複雜的通道以使冷卻液流過,並且能夠打印出減輕重量所需的薄壁。這個過程緩慢而精確。

冷噴塗用於著陸器發動機製造,NASA 將金屬 3D 列印提升到新的高度


NASA

銅合金製成的燃燒室腔體需要在結構上進行加固。這就是冷噴塗CSD技術的用武之地。冷噴塗技術使用超音速氣體射流將固體粉末噴射到表面上,使用動能而不是熱量來施加護套,有助於減少或消除材料收縮。

雖然冷噴塗沉積是一種相對不精確(根據3D科學谷的市場研究,目前科研機構在透過人工智慧來提升對冷噴塗工藝技術的精確度的控制)的加工方法,不過冷噴塗是快速、高效的方法,3D科學谷瞭解到透過高度複雜的技術(選區鐳射熔化金屬3D列印技術)製造高度複雜的零件(銅合金燃燒室)。而對於結構性更強的部分,使用了相對精確度低的技術(冷噴塗增材製造)技術,冷噴塗的製造速度更快,並降低了零件的總體成本。

3D科學谷瞭解到冷噴塗使用的HR-1材料似乎是此類應用的完美材料,NASA HR-1是用於高溫操作環境下(例如液體火箭推力室的噴注器)的高強度合金,適用於多種增材製造技術。

知之既深,行之則遠,3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智慧製造深度觀察,有關航天3D列印市場深潛,請關注3D科學谷《3D列印與航天研發與製造業白皮書第二版》《3D列印與航空發動機白皮書》。

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分類: 健身
時間: 2022-02-06

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