3D打印零件应对超音速飞行面临哪些挑战？

2023年，Relativity Space试飞全球首款“全”3D打印火箭，人们担心的一个重要节点，就是3D打印的火箭结构能否承受Max-Q最大应力点。

当前，3D打印的零件已经广泛应用于航空航天领域，具体的应用产品涉及火箭、武器、卫星以及民航客机等。

这些产品中，除普通民航客机外的飞行速度几乎都存在超音速飞行阶段，这也就意味着3D打印的零件要经受一些特别严酷的工况。

但需要指出的是，上述产品大部分属于一次性飞行，但对于超音速客机来说则完全不同。本期内容，就以Boom Supersonic为例，介绍其XB-1超音速飞机上的3D打印零件，要经受哪些考验。

3D打印零件

超音速飞行中的工况挑战

要问超音速飞行有多快，举个例子来说，从洛杉矶飞到北京通常需要12个小时，但超音速飞行只需要6个小时甚至更短，相当于每小时1200公里以上。飞行速度越快，零部件工作的环境就越极端：

➡️高温和温度变化大：3D打印的零件必须能扛住高温，还能在温度剧烈变化的情况下，保持形状和性能稳定。

➡️冲击波和压力载荷：在进气口、管道和控制面周围，压力会突然变得很高，3D打印的零件必须能够承受这种突然产生的压力；零件的精度和形状必须精确，才能控制好气流。

➡️振动和疲劳载荷：3D打印的零件不仅要求机械强度高，还要求重量轻；同时，还必须能够承受反复的震动和应力，不能出现疲劳裂纹，承重部件尤其如此。

➡️ 空间小，安装集成困难：飞机里很多地方空间紧凑，如电子设备舱、通风管道等，可用空间有限，3D打印零件需要做的小巧紧凑、模块化，方便安装。

XB-1上安装的许多3D打印部件都位于加压区域，例如驾驶舱，或者位于热稳定性更高的区域，例如系统舱，其中容纳了大部分电气、环境控制系统和飞行控制设备。很多3D打印零件还被用于一些更易暴露的区域，例如机头和主起落架舱。在这些区域，部件必须承受诸如以下恶劣条件：

➡️ 在飞行高度高达1万米、速度达到 1.122 马赫时，会产生高温。

➡️ 起飞和着陆时，起落架舱门打开，飞机速度可达300公里/小时，此时会产生高速气流。

为确保零件性能，Boom的工程团队仔细审查了每种3D打印材料的数据手册，并确认预期使用载荷在公布的材料允许范围内。除了依赖供应商数据外，Boom还进行了内部材料鉴定，验证关键性能。

作为质量保证流程的一部分，相关3D打印机每三个月都要接受一次全面检查，包括打印和测试 30 个拉伸试样。Boom Supersonic公司的XB-1超音速飞机上使用了3D打印的高压压气机、燃烧室和高压涡轮等金属部件，以及大量的非金属零件。

3D打印的高压涡轮叶片

中间打印失败

采用ULTEM 1010打印的用于发动机测试的导风管

3D打印钻块（由尼龙 12CF 制成），用于零件组装

谈到高结构载荷，工程师证实，在XB-1项目中，大部分3D打印部件都用于低载荷应用。对于工程团队而言，直接减轻结构重量并非首要目标。

XB-1超音速飞机

安装的典型复杂3D打印部件

BOOM公司的工程师指出， XB-1验证机上的几个3D打印部件体现了不同方面的复杂性，但其中一些组件因其几何结构、功能和集成方面的挑战而尤为突出：

➡️环境控制系统管道：该部件的设计目的是将冷却空气导向位于驾驶舱面板前方的仪器和航空电子设备。其内部结构复杂，通过优化实现气流平稳，而采用传统制造工艺生产这种结构将极其困难、耗时且昂贵。Boom使用Stratasys F900轻松应对了这种复杂性，使他们能够快速完成从设计到安装的整个过程。

➡️发动机油门线束支架：虽然其几何形状不如电子控制系统导管复杂，但该部件发挥着至关重要的功能作用。它支撑着穿过后驾驶舱的三根发动机油门线。该支架直接粘合在碳纤维龙骨梁上，并通过紧固件将油门线固定在上下两部分之间，精确的定位对于确保安全可靠的运行至关重要。

➡️文丘里喇叭口：该部件的内部几何结构也极其复杂，设计目的是高效引导气流通过止回阀进入发动机舱。

这三个部件分别突出了3D打印技术的不同优势——几何自由度、功能集成、针对特定应用场景的快速开发能力。

对3D打印的应用不能为了用而用，如果有更便宜、更稳妥的加工方案就应该选择其他。在一些传统加工技术解决不了的地方，如会造成零件更重、更贵或更复杂的情况下，3D打印就更具有优势。

而且，3D打印零件的安全性仍然需要长时间的验证。笔者发现，Boom也认为在将增材制造技术整合到商业生产之前，仍需要保持审慎的态度。规模化应用还需要进行广泛的材料测试、工艺验证和认证。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。