弗勞恩霍夫 ILT 研究3D 打印零排放氫發(fā)動機，支持可持續(xù)航空航天制造業(yè)

2024年10月18日，南極熊獲悉，弗勞恩霍夫激光技術研究所 (ILT)致力于利用 3D 打印技術提高航空航天制造業(yè)的可持續(xù)性。該研究機構總部位于德國亞琛，其增材制造技術正在幫助航空航天公司滿足歐盟可持續(xù)性法規(guī)。

例如，弗勞恩霍夫 ILT 正在開發(fā)用于激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印的金屬粉末，以支持零排放氫火箭發(fā)動機。這些材料是通過資源節(jié)約、氣候友好型航空技術與創(chuàng)新 (TRIKA) 計劃開發(fā)的，有助于生產符合氫推進系統(tǒng)嚴格行業(yè)要求的輕型發(fā)動機部件。

研究人員還在進行生命周期評估 (LCA)，以確定 LPBF 3D 打印在航空航天應用中的生態(tài)和成本優(yōu)勢。弗勞恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合部門負責人 Tim Lantzsch 博士稱這些評估對于確定制造可持續(xù)性“不可或缺”。

此外，弗勞恩霍夫正在研究一種使用激光材料沉積 (LMD) 3D 打印更高效、更精確地生產火箭部件的工藝。到 2025 年 10 月，該項目旨在為歐洲航天局(ESA) 的阿麗亞娜計劃 3D 打印火箭噴嘴并制造全尺寸演示器。據報道，利用金屬增材制造來生產這些部件可以降低成本并縮短生產時間。

△阿麗亞娜5 號火箭成功發(fā)射。照片來自 Fraunhofer ILT。

零排放氫發(fā)動機

歐盟的《ReFuelEU》航空法規(guī)要求到2050年二氧化碳排放量要比1990年的水平減少60%。此外，新的《歐洲空間法》（EUSL）將包括有關空間可持續(xù)性的新規(guī)則。

為了滿足這些苛刻的期限，弗勞恩霍夫 ILT 指出了 LPBF 3D 打印的價值。研究人員強調了其生產輕質、復雜、高強度部件的能力，這些部件針對航空航天應用進行了優(yōu)化。

由德國聯(lián)邦經濟和氣候行動部牽頭的 TIRIKA 計劃旨在推動氫氣成為航空業(yè)的零排放能源。通過該項目，弗勞恩霍夫 ILT 正在與材料制造商合作，生產適用于 3D 打印氫發(fā)動機部件的鋁合金粉末。研究人員還針對市售材料調整了 LPBF 工藝，驗證了它們在發(fā)動機生產中的應用。

據弗勞恩霍夫 ILT 研究員 LukeSchüller 介紹，該團隊的 3D 打印工藝可實現(xiàn)超過 99.5% 的相對組件密度，以及超過 100 cm 3 /h 的構建速度。至關重要的是，專門開發(fā)的 3D 打印粉末具有抗氫性，氫在高壓和高溫下會導致脆化和疲勞。據報道，3D 打印還能夠生產出鑄造和鍛造等傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的復雜幾何形狀和功能結構。   

△盧克·舒勒。照片來自 Fraunhofer ILT。

3D打印是否更具可持續(xù)性？     

弗勞恩霍夫 ILT 進行了生命周期評估，以確定 3D 打印航空部件與使用傳統(tǒng)生產技術制造的部件相比的可持續(xù)性。在此，團隊評估了部件的整個生命周期，涵蓋原材料采購、生產、使用和回收。   

據報道，LCA 數據可讓研究人員更快、更高效地設計新產品的啟動流程。它還能幫助他們評估生產過程中的質量、成本、能源和資源消耗。最后，LCA 為航空航天生產提供了更大的透明度。

根據弗勞恩霍夫 ILT 的 LCA 分析，雖然 LPBF 3D 打印消耗大量能源，但其環(huán)境足跡比傳統(tǒng)方法“小得多”。

值得注意的是，它通過僅使用制造零件所需的精確材料量來最大限度地減少生產過程中的材料浪費。制造更輕質零件的能力還可以減少航空航天部件的燃料消耗，從而進一步降低整個產品生命周期對環(huán)境的影響。

3D打印可持續(xù)太空火箭

據報道，F(xiàn)raunhofer ILT 的 3D 打印功能在歐盟的ENLIGHTEN（歐洲低成本、創(chuàng)新和綠色高推力發(fā)動機項目倡議）項目中發(fā)揮著關鍵作用。

ENLIGHTEN 于 2022 年啟動，旨在開發(fā)可由生物甲烷和綠色氫氣驅動的經濟實惠且環(huán)保的火箭發(fā)動機。目標是利用這些發(fā)動機為歐空局阿麗亞娜太空計劃的可重復使用火箭提供動力。

通過該項目，弗勞恩霍夫 ILT 的增材制造和修復 LMD 小組正在努力使用 LMD 3D 打印制造火箭。弗勞恩霍夫 ILT 增材制造和修復 LMD 小組負責人 Min-Uh Ko 聲稱 LMD 顯著提高了“制造新型火箭噴嘴的速度和成本效益”。  

研究團隊的 3D 打印設計具有精致的薄壁冷卻通道，使用替代生產方法生產起來要困難得多。據報道，傳統(tǒng)制造還會產生耗時且昂貴的工藝鏈，可能需要幾個月才能交付最終部件。使用本地增材制造可以大大減少這一過程。  

最終，該團隊希望建立一個可靠、受控的 LMD 生產流程，其中包括質量保證，以支持大批量生產。它將采用一個在線系統(tǒng)，使用傳感器監(jiān)控整個 3D 打印過程。據報道，他們將檢測和糾正流程異常，并確保零件質量始終如一。

Min-Uh Ko 補充道：“憑借我們的成果，我們可以使該行業(yè)作為航空航天工業(yè)的供應商，未來能夠通過 LMD 在自己的系統(tǒng)上生產同樣大型、復雜和精細的結構�！�      

△Min-UhKo，F(xiàn)raunhofer ILT 增材制造和修復 LMD 團隊負責人。照片來自 Fraunhofer ILT。

增材制造在航空航天領域的應用

航空航天和空間應用對增材制造的采用繼續(xù)加速。埃隆·馬斯克的火箭公司SpaceX最近同意從位于加利福尼亞州的金屬增材制造公司 Velo3D獲得金屬 3D 打印機的許可。

SpaceX 已同意向 Velo3D 支付 500 萬美元以獲得其增材制造能力，這是其之前向SpaceX 提供 3D 打印機的協(xié)議的基礎。增材制造此前曾用于 SpaceX 的 Raptor 發(fā)動機的生產，據報道，它在整合零件和優(yōu)化設計方面發(fā)揮了至關重要的作用。馬斯克宣稱他的公司擁有“最先進的 3D 金屬打印技術”。

另外，韓國工業(yè) 3D 打印解決方案提供商InssTek與韓國航空宇宙研究院(KARI)合作開發(fā)了 3 噸多材料火箭噴嘴和火箭噴嘴延長件。

這款火箭采用定向能量沉積 (DED) 3D 打印技術制造，內部部分由鋁青銅（銅合金）制成，外部部分由 Inconel 625（鎳基高溫合金）制成�；鸺龂娮煅由觳糠植捎� C-103（一種鈮合金）3D 打印而成。據報道，增材制造對于創(chuàng)建復雜的結構和功能至關重要，這些結構和功能可解鎖組件所需的效率和可靠性。