利用3D打印技术打造绿色航空航天

欧盟委员会的目标雄心勃勃：《欧盟再燃料航空条例》（ReFuelEU Aviation Regulation）规定，到2050年，航空业的二氧化碳排放量要比1990年的水平减少60%。欧盟还计划制定一部全面的《欧盟空间法》（EUSL），其中包括有关空间活动可持续性的规则。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所及其新的增材制造工艺为航空航天公司提供了支持，这些工艺可显著减少生态足迹并降低生产成本。

新型推进系统的助推器，激光材料沉积旨在确保更快、更具成本效益地生产阿丽亚娜计划中下一代火箭的推进喷嘴（图中为成功发射阿丽亚娜5号）

弗劳恩霍夫激光技术研究所的助理研究员Luke Schüller在一篇技术文章中问道：如何使航空业更加环保？他给出了答案：利用轻质结构、3D打印和新型高性能材料来满足严格的政治气候保护要求。激光粉末床熔融（LPBF）工艺，即用激光束逐层熔融金属粉末，在其中发挥了关键作用。这种方法使用户能够生产出复杂的高强度部件，这些部件不仅重量更轻，而且更耐磨，这些都是未来航空业所需的关键性能。

与材料制造商合作：未来氢能的特殊粉末

作为联邦经济事务和气候行动部TIRIKA研究计划（资源节约型、气候友好型航空技术与创新）的一部分，弗劳恩霍夫激光技术研究所正在开发特种粉末。该计划的重点是将氢作为航空业的无排放能源。专家们与材料制造商合作开发了符合航空业对氢发动机高要求的粉末。专家们还为市场上可买到的材料开发了激光粉末床熔融工艺，并与合作伙伴合作使用各种测试程序对其进行了最终验证。

Schüller解释说：由于对激光粉末床熔融工艺进行了有针对性的调整，我们现在可以实现超过99.5%的相对部件密度和超过100cm³/h的高堆积率。铝合金不仅重量轻，而且强度高。此外，它们还具有抗氢性，而氢元素在高温高压下会导致脆化和材料疲劳。这使得这些合金成为未来无排放氢发动机的理想候选材料。此外，由于采用了均匀的激光熔化工艺，新的特种粉末可以生成复杂的几何形状和功能结构，而这些是无法用铸造或锻造等传统工艺制造的。

0.4毫米微粒电子检测传感器

在生产过程中，精确的传感器系统可直接在粉末床和熔化过程中检测出小至0.4毫米的颗粒。这最大限度地减少了耗时的下游检测，并显著提高了生产效率。然而，先进的工艺不仅会影响生产质量和效率，还会对生态环境造成影响。弗劳恩霍夫激光技术研究所使用生命周期评估来评估增材制造工艺的环境友好性。这涉及到一个部件的整个生命周期，从原材料采购到生产和回收。

弗劳恩霍夫激光技术研究所激光粉末床熔融部门负责人Tim Lantzsch博士说：对我们来说，生命周期评估是评估产品在整个生命周期内对环境的影响以及确定可持续替代品的不可或缺的工具。然而，为了有效地设计这种综合工艺，研究工作需要在数字价值链的早期阶段获得高质量和有意义的数据。

复杂工艺的三重优势

有三个重要的论点支持这条最初非常费力的道路：首先，这些数据使研究人员能够更快、更有效地设计新产品的启动过程。其次，它们有助于研究人员评估生产周期中的质量、成本、能源和资源消耗。第三，它们有助于提高生产过程的透明度，从而优化整个生产链。生命周期评估分析的结果表明，尽管激光粉末床熔融工艺的能耗相对较高，但增材制造的生态足迹明显小于传统生产方法。因此，3D打印尤其适用于维修部件，因为它能最大限度地减少材料损耗和节约资源。

在欧盟项目ENLIGHTEN中，弗劳恩霍夫激光技术研究所正在开发一种可靠的激光沉积工艺。该工艺可监控整个过程，检测并纠正异常情况，从而确保始终如一的高质量元件

增材工艺也是欧盟项目ENLIGHTEN（欧洲低成本、创新和绿色大推力发动机项目）的重点，该项目于2022年11月启动，由阿丽亚娜集团负责管理和协调。自该项目启动以来，来自8 个欧洲国家的18个合作伙伴都有一个目标：开发出使用生物甲烷和绿色氢气等的低成本、环保型火箭发动机。新型生态发动机旨在为下一代欧洲可重复使用火箭提供动力，从而增强欧洲在全球航空航天领域的竞争力。

更快、更便宜地进入太空

这就是亚琛研究所发挥作用的地方。作为该项目的一部分，增材制造和维修激光材料沉积（LMD）小组的专家们正在开发一种工艺，利用激光材料沉积更高效、更精确地制造火箭部件。弗劳恩霍夫激光技术研究所增材制造与维修激光材料沉积小组组长Min-Uh Ko解释说：特别之处在于，我们正在利用激光材料沉积大幅提高新型火箭喷嘴的制造速度和成本效益。

激光材料沉积的特别之处在于，大大提高了制造新型火箭喷嘴的速度和成本效益

除了安装空间大之外，正在研究的设计还具有异常细密和薄壁的冷却通道，而这些冷却通道只能通过传统的制造路线费力地制造出来。该项目的目标是在2025年10月结束：激光材料沉积生产用于阿丽亚娜计划下一代火箭的喷嘴，并建造一个真正的演示器。

反对传统方法的一个理由是：由于没有一家公司能够在当地的生产设施中提供所有不同的工艺步骤，因此必须将部件运往多个地点。由此产生的工艺链导致生产耗时长、成本高，通常需要几个月的时间。弗劳恩霍夫激光技术研究所ENLIGHTEN项目经理Jochen Kittel说：我们的工艺技术节省了许多单独的工艺步骤，不仅可以大幅降低成本，同时还大大缩短了火箭喷嘴的生产时间。

全面掌控流程

专家们正在对该项目采取综合方法：到项目结束时，他们计划开发出一套可靠、可控的生产工艺，包括批量生产的质量保证。在线系统将使用传感器监控整个流程，检测并纠正流程异常，确保始终如一的高质量组件。Min-Uh Ko表示：一旦我们成功开发出工艺和演示器，这将标志着一项突破。凭借我们的成果，作为航空航天工业的供应商，可以使业界在未来通过 激光材料沉积在自己的系统上生产同样大型、复杂的丝状结构。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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