3D打印创新在美国宇航局起飞

当你听到这个词3 d打印技术，你可能会想到在台式机器上容易生产的小产品或维修部件。但如果你为美国宇航局工作，你可能会想象3D打印一个7英尺高的火箭喷嘴，能够支持长时间的太空飞行。更令人兴奋的是，你可能会想象宇航员在空间站或在遥远的星球上准备返回地球时生产火箭喷嘴。

Fredrick Michael是位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心(MSFC)的结构材料工程师，他正在努力通过Ansys增材制造解决方案套件将这些雄心勃勃的愿景变为现实。Michael是工程模拟和其他先进工具的热情倡导者，这些工具为NASA历史性的产品开发方法提供了动力，推动了模拟和增材制造的边界。

Michael说:“2015年，NASA制定了一个名为‘2040愿景’的25年计划，该计划强调了多尺度建模和基于模拟的材料和系统设计在航空航天应用中的重要性。”“我们与Ansys的合作，以及我们对增材制造或3D打印的关注，正在帮助MSFC团队履行创新的承诺。通过利用新的计算方法和3D打印等先进工艺，我们正在尽自己的一份力量，使NASA保持在全球航空航天工程的前沿。”

增材制造的早期采用者

自增材制造技术商业化之初，NASA就一直是该技术的用户和支持者。美国宇航局将其内部专业知识与工业界和学术界的见解相结合，开创了打印火箭部件的新方法，这些部件能够为前往月球、火星和其他目的地的旅行提供动力。

Michael说:“NASA已经投资完善了一系列部件的增材制造技术，从较小的部件，如喷射器，到非常大的单件火箭发动机及其组件，无论是单个制造还是多个制造。此外，我们已经开始通过增材制造和相关的计算建模，探索大型坦克和结构。最后，但并非最不重要的是，我们在近地轨道(LEO)上的太空制造以及我们的月球轨道和月球栖息地项目正在迅速发展，并与现有的和需要的增材制造和焊接过程的计算建模并行。无论大小在完成的部分，有许多常见的工程和生产挑战，我们使用Ansys软件来解决。

Michael继续说道:“在这些挑战中，主要的挑战是确保打印部件在受到与航空航天应用相关的极端温度和物理力时，能够在结构上保持良好。”“变形和收缩是常见的，所以我们在Ansys中对零件建模，创建了一种数字双胞胎，并使虚拟模型适应现实世界的条件和苛刻的操作参数，如高温。”

的加法制造套件还使NASA能够测试具有不同晶粒结构和形貌的不同粉末和合金，因此工程师可以在最小的尺度上最大限度地减少缺陷。“我们可以在建造之前和建造之后描述材料的特性，”迈克尔说。“我们可以看看它们的微观结构和整体结构强度。我们可以量化热处理的效果。Ansys为我们提供了先进的工具包，可以在各种可能的规模和各种可能的条件下评估这些打印部件，这是非常宝贵的。”

优化定向能沉积过程

增材制造套件已被证明对NASA成功使用定向能沉积(DED)(一种专门的生产技术)制造非常大的部件(包括7英尺高、5英尺直径的火箭喷嘴)至关重要。

在DED过程中，机器人以特定的模式移动激光驱动的3D打印头，同时一次沉积一层熔融金属，以创建预定义的几何形状。NASA使用DED技术来制造具有复杂形状(甚至是内部空腔)的大型火箭喷嘴，比依靠传统的锻造方法更快速、更经济。事实上，通过DED技术可以在30天内生产出火箭喷嘴，而传统制造技术则需要一年时间。

Michael说:“Ansys软件不仅可以帮助我们优化最终产品的形状和性能特征，包括材料属性，而且它还具有独特的功能，使我们能够优化DED工艺本身。”例如，我们已经能够模拟多个激光头的使用。我们已经能够决定是把产品正着打印，还是倒着打印。我们还将优化激光的路径和它沉积的材料数量。Ansys与NASA合作，使这种较少使用的增材制造工艺的结果更容易理解和控制。”

太空3D打印:最后的前沿

NASA最令人兴奋的发展之一是使用DED和其他增材制造技术在太空中生产维修部件或新设备的可能性。当宇航员团队探索其他星球或在空间站生活时，他们需要按需生产产品，而不是储存产品。3D打印将使宇航员能够轻松快速地制造出他们所需的确切部件、工具和材料。

虽然美国宇航局于2014年将第一台3D打印机送入太空，但该技术仍未得到广泛应用。据Michael介绍，模拟被证明是使太空增材制造更加可行并被广泛采用的关键。

他说:“在太空制造零件会带来全新的温度范围和生产参数。”“没有方向性，没有引力，没有浮力。加热是通过辐射和部分传导完成的，在真空中不是通过对流完成的。传统材料可能无法获得或不可行的，因为它们不能部分或完全适应增材制造工艺或微重力和真空条件。这是一个完全不同的景观。Ansys在帮助我们的团队模拟这个世界并增加我们对它的理解方面至关重要，减少了在零重力降落室或其他物理测试元素中求助于工艺开发和测试大型矩阵的需求，例如重复微重力抛物线飞行甚至国际空间站(ISS)。”

Ansys本身能在太空中用于优化3D打印项目吗?Michael说:“我认为我们才刚刚开始看到模拟和DED可以完成什么，我为Ansys为这一新兴领域开发专门功能所做的努力而喝彩。

“我可以自信地说，Ansys创建的软件工作流程在NASA走到这一步的过程中非常非常有用。Ansys软件甚至允许我们最新的工程师直接进入并开始优化增材制造过程。因此，我想说的是，在我们地面和太空工作的每一步都充分利用增材制造和相关制造的计算建模，这是我们对这种合作的未来的设想，”Michael说。