Frontier Hipersonik teknoloji alanında 3D baskı teknolojisinin uygulamaları nelerdir?
Katmanlı üretim teknolojisi olarak da bilinen 3B baskı teknolojisi, katman katman malzeme ekleyerek bir yapıyı "yazdırmak" için toz halinde bağlanabilir malzemeler kullanan bir kalıplama teknolojisini ifade eder. 3D baskı teknolojisi, çeşitli modern teknolojilerin entegrasyonudur. Bilgi teknolojisi ile desteklenir ve dijital ve analog teknoloji, malzeme bilimi ve kimya alanlarında en son teknolojileri entegre eder. "Üçüncü sanayi devrimi" nin temel teknolojisi olarak bilinir.
3D baskı teknolojisi, plastikten yapılmış küçük, sağlam olmayan parçaların akıllı üretiminin ilk aşamasında, 1980'lerde başladı. Son yıllarda, modern teknolojinin hızla gelişmesiyle birlikte, katmanlı imalat teknolojisinin uygulama kapsamı, çoklu metallere (alüminyum ve titanyum gibi alaşımlar) ve metal olmayan malzemelere (seramik matrisli kompozitler, reçine matrisli kompozitler, plastikler vb.) Dayalı büyük ölçekli uygulamalara kadar genişletilmiştir. Yük taşıma (uçak kirişi çubukları) ve yüksek sıcaklık bileşenleri (motor yanma odaları) alanlarında, seri üretim gereksinimlerini karşılayabilecek işleme döngülerinde ve üretim maliyetlerinde de önemli gelişmeler olmuştur. Genel olarak, 3D baskı teknolojisi nispeten yüksek bir olgunluğa ulaştı ve mühendislikte uygulanabilir.
Geleneksel üretim yöntemlerinden farklı olarak, 3D baskı teknolojisi, iş parçalarını hazırlamak için döküm veya kesme yöntemlerini kullanmaz, ancak kalıplama elde etmek için uzamsal katkı yöntemlerini kullanır.Bu benzersiz kalıplama yöntemi, iyi malzeme yoğunluğu ve karmaşık mekansal yapı elde etmeyi mümkün kılar. Ve diğer mükemmel özellikler. Bu özellik, 3D baskı teknolojisinin bazı yönlerden doğal avantajlara sahip olmasını, özellikle topolojik optimizasyon sonuçlarına yakın yapısal parçaların hazırlanması, tasarım ve imalat entegrasyonunun gerçekleştirilmesi ve daha yüksek yapısal verime sahip hafif bir taşıyıcı yapı elde edilmesi için uygun hale getirir.Bu, yapısal ağırlığa vurgu yapan havacılık sektöründedir. Havacılık ve yüksek kaliteli otomobil üretimi alanları özellikle önemlidir. Son yıllarda bu alanlarda 3D baskının mühendislik uygulaması giderek yaygınlaştıkça teknolojik olgunluğu da önemli ölçüde gelişmiştir.
Hipersonik uçak, 3D baskı teknolojisindeki en önemli atılım yönlerinden biridir. Geleneksel havacılık araçlarıyla karşılaştırıldığında, hipersonik araçlar, bitişik uzay / atmosferde uzun süre Mach 5'i aşan yüksek hızlarda uçmaya devam ediyor ve çalışma ortamı, özellikle vücut / gövde şeklinin yerel aerodinamik durgunluk noktasında ve şok dalgası ekinde sert. Termal ortam, hava soluma gücü kullanan motor giriş kanalları ve yanma odalarının yanı sıra özellikle serttir.Bileşen malzemelerin yüksek sıcaklık direnci ve yapının mekanik özellikleri için yüksek gereksinimleri vardır.Aynı zamanda bileşenlerin alanı ve şekli , Kendi ağırlığı vb. De katı gereksinimleri vardır. Hipersonik teknolojinin ilgili alanlarda uygulanması artmaktadır ve hipersonik uçak üretimindeki darboğazı çözmenin anahtarı haline gelmiştir. Geleneksel üretim teknolojisi gereksinimleri karşılayamadığında, 3D baskı teknolojisi ona yeni bir yol açmıştır.Yüksek malzeme özellikleri, özel şekilli yapıları ve genel özellikleri olan parçaları hızlı bir şekilde üretme kabiliyeti ile hipersonik hava taşıtlarının ilgili alanlarında iyileştirilmiştir. Geniş bir uygulama yelpazesi geliştirdi ve hatta hipersonik uçakların bazı özel parçalarının darboğazını çözmek için tek seçenek haline geldi.
Bu makale, son yıllarda yurtdışında yapılan hipersonik ile ilgili hazırlık çalışmaları ile başlamakta, 3 boyutlu baskı teknolojisinin hipersonik teknoloji alanındaki sistem-yapı-malzemelerde uygulanmasını tanıtmakta ve önemini analiz etmektedir.
Hipersonik alt sistem seviyesindeki ürünlerin uygulanmasında 1.3D baskı teknolojisi
American Orbital ATK (Orbital ATK) geçtiğimiz günlerde ana hazırlık yöntemi olarak 3D baskı ile hipersonik bir savaş başlığının test patlamasını başarıyla gerçekleştirdi. Harp başlığının araştırma ve geliştirme çalışmaları Orbital ATK'nın ana işlerinden biridir.Şu anda şirket, füze ürünleri departmanı tarafından kurulan Harp Başlığı Geliştirme Programlarında bu 50 kiloluk savaş başlığının araştırma ve geliştirmesini yürütmektedir. Hipersonik silahlar için uygun, öldürücü bir geliştirilmiş mühimmat (LEO) savaş başlığı. Savaş başlığının, üçü 3D baskı ile hazırlanan ve yarıdan fazlasını oluşturan beş ana bileşeni vardır. Orbital ATK, yüksek hızın getirdiği yüksek sıcaklığa dayanabilen bu savaş başlığının geliştirilmesini gerçekleştirmek için önceki süpersonik roket motoru ile geleneksel savaş başlığı tasarım ve üretim deneyimini birleştirdi.
Bu tür harp başlığı, geleneksel şekilden oldukça farklı, karmaşık bir yapıya sahip özel şekilli bir yapıya sahiptir. Tasarım çalışmasına Şubat 2018'in başlarında başladıktan sonra, savaş başlığı Ar-Ge ekibi 3D baskının avantajlarından tam olarak yararlandı ve süreç gereksinimlerini karşılayan özlü bir yapısal tasarım benimsedi.Hazırlık döngüsü, geleneksel sürece kıyasla en az bir buçuk ay tasarruf sağlıyor. Harp başlığının tüm tasarım-hazırlık-test sürecini tamamlamak, temsili ve verimli Ar-Ge'yi gerçekleştirmek 60 günden az sürdü.
Orbital ATK, Mart 2018'de bu tür bir savaş başlığı üzerinde patlayıcı bir test gerçekleştirdi. Bu, şirket, 3D baskı teknolojisini kullanarak bir savaş başlığı üzerinde ilk kez bir test gerçekleştirdi. Testte, savaş başlığı ilk süspansiyon pozisyonundan başarılı bir şekilde patladı ve patlamadan sonra parçalar yere fırladı ve patlama noktası etrafında dağılmış ince bir metal parça oluşturarak, patlatmanın farklı hedefler üzerindeki hasar etkisini değerlendirmek için orijinal veriler sağladı. destek.
Bu tür bir savaş başlığı, halka açık bilgilerde açıklanan ana üretim yöntemi olarak 3B baskıyı kullanan ilk hipersonik araç alt sistemi ürünüdür.Başarılı hazırlığı ve testi, hipersonik teknolojide önemli bir atılımdır ve hipersonik hız geliştirme sürecinin bir parçasıdır. kilometre taşı.
Şekil 1 Yörüngesel ATK'nın hipersonik savaş başlığının patlama testi
2.3 Hipersonik bileşen seviyesindeki ürünlerde D baskı teknolojisinin uygulanması
2016 yılında Orbital ATK, 3 boyutlu baskı teknolojisi ile hazırlanmış bir yanma odası üzerinde rüzgar tüneli testi gerçekleştirdi.Bu yanma odası, scramjet motorları için tasarlanmış olup, tüm tahrik sisteminin en zor bileşenlerinden biridir. Scramjet içindeki yüksek hava hızı ve ciddi hava türbülansı, güvenilir ateşleme ve kararlı yanma elde etmeyi son derece zorlaştırır. Yanma odası için, yanma durumunun gereksinimlerini karşılamak için hassas akış kanalı boyutu kontrolü, yüksek hızlı ve yüksek sıcaklık hava akışının erozyonunu sürdürmek için yeterli duvar ablasyon direnci ve sürekli dahili yüksek basınç altında yapısal bütünlük sağlamak için yüksek yapısal mukavemet gereklidir; Aktif soğutmayı benimseyen bir yanma odası için, yapıda küçük ve uzun bir soğutma gazı / sıvı akış kanalı da gereklidir ve yanma odasının yapısı daha karmaşıktır. Tüm bunlar, scramjet yanma odasının işlenmesi için yüksek gereksinimleri ortaya koymaktadır.Geleneksel teknoloji ile hazırlanabilse bile, çok sayıda parçaya ayrıştırılması ve karmaşık ekipmanlarla işlenmesi ve oluşturulması gerekir.Bu nedenle, karmaşık montaj Boyutsal zincirin aktarımı, doğrudan ilgili parçaların ve bileşenlerin çok yüksek işleme hassasiyetine ihtiyaç duyulmasına yol açacak ve işleme ve montajda harcanan zaman da yanma odasının nispeten uzun bir hazırlık döngüsüne yol açacaktır.Ayrıca, çok sayıda parçanın montajı kaçınılmaz olarak etkisiz olan daha fazla ek kalite getirecektir. Kütle, tüm motorun etkili itme-ağırlık oranını azaltacaktır. Orbital ATK füze ürün departmanı başkanına göre, bu tür bir yanma odasının hazırlanmasının birkaç yıl önce başarılması hala imkansızdı ve 3D baskı teknolojisinin tanıtımına kadar çözülmedi.
Bu tip yanma odası, "Toz Yatağı Eritme" adı verilen 3 boyutlu baskı yöntemini kullanır Hammadde olarak metal tozu kullanılır.İş sırasında hammadde lazer baskı kafasına gönderilir ve baskı kafasından çıkan lazer ile toz hızla eriyecek şekilde ısıtılır. Yumuşatılmış metal, alttaki katı tabana adsorbe edilmiş küçük film benzeri bir form tabakası oluşturacaktır. Birden fazla yineleme yoluyla, üç boyutlu yapı, film katmanlarının istiflenmesiyle oluşturulabilir. Lazer baskı kafası, her bir film oluşumunun konumunu kontrol eder ve son olarak, Gerekli alanın üç boyutlu yapısı. Bu hazırlama yöntemi sayesinde, yanma odası tek seferde entegre olarak oluşturulabilir, bu sadece tasarım ve hazırlama zorluğunu büyük ölçüde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda yanma odasının genel performansını da etkili bir şekilde geliştirir.
Toz yatağı eritme işleminin elde edilebilir gücünü test etmek için, bu tip yanma odası, 2016 yılında Langley test merkezinde 20 günlük bir rüzgar tüneli testine tabi tutulmuş ve bu sırada simülasyon testleri birden fazla hipersonik uçuş koşullarında gerçekleştirilmiştir. Testte, yanma odasının çalışma koşulları, benzeri görülmemiş bir sürekli ilerleme süresine ulaştı. Test sonuçlarına göre, bu tip yakıcı, yapısal arıza olmadan tüm nükleer testleri başarıyla geçti ve hatta bu 3B'yi tam olarak gösteren tasarım gereksinimlerini aşan, beklenen deney koşullarını aşma koşulu altında iyi durumda kaldı. Baskı işleminin pratikliği.
Şekil 2 HRL laboratuvarında scramjet yakıcının rüzgar tüneli testi
Ayrıca Reaction Engine Company (REL), Sabre motor (Sabre) ölçekli modelin yakıt enjeksiyon borularını üretmek için 3 boyutlu baskı teknolojisini kullanarak hazırlık zorluğunu etkin bir şekilde azaltmış; model test parçası 2015 yılında ateşleme testinde gerçekleştirilmiştir. 15 başarılı ateşleme. Avrupa, HEXAFLY projesine 3D baskı teknolojisini uyguladı ve testte kullanılan uçağın bir dizi küçültülmüş aerodinamik modelini hazırladı, bu da süreç zorluğunu ve hazırlık döngüsünü önemli ölçüde azalttı; test parçası üzerindeki aerodinamik yük altında yapısal deformasyon derecesi, yapısal bütünlük ve hazırlık maliyeti. Hazırlık döngüsü gibi birden fazla göstergeyi değerlendirdikten sonra, bu test parçalarının hipersonik aerodinamik testin ihtiyaçlarını karşılayabileceğine inanılmaktadır. ATK, ABD Hipersonik Hava Soluyan Silah Programı (HAWC) projesinin ilk aşaması için parçaları hazırlamak için EOS M2803D yazıcıyı kullandı. 2015 yılında Amerika Birleşik Devletleri, Yüksek Hızlı Saldırı Silahı (HSSW) projesi için bir teknik olgunluk proje danışma duyurusu yayınladı. Duyuru, toplam bileşen sayısını azaltmak, üretim maliyetlerini düşürmek ve lojistiği iyileştirmek için bileşen üretimi için 3D baskı teknolojisini kullanmayı düşüneceğini ortaya koydu. Garanti yetenekleri ve diğer gereksinimleri.
Şekil 3 REL Company'nin Sabre motoru ölçekli test parçası yakıt enjeksiyon borusu parçaları
Hipersonik malzeme seviyesindeki ürünlerde 3 \ 3D baskı teknolojisinin uygulanması
ABD Hava Kuvvetleri Laboratuvarı (AFRL) kısa süre önce Arnold Hava Kuvvetleri Üssü'ndeki deney tesisinde 3D baskılı silikon oksikarbit (SiOC) malzemesinin rüzgar tüneli testini tamamladı. Deneye katılan test parçaları Hughes Araştırma Laboratuvarı (HRL Laboratories) tarafından sağlandı ve ajansın Havacılık ve Uzay Sistemleri Müdürlüğü, uygun hipersonik uçağı sağlamak için 2016 yılında SiOC'nin bir 3D baskı yöntemini yenilikçi bir şekilde önerdi. s malzeme. Bu 3B baskı yöntemi, hammadde olarak yeni geliştirilmiş bir ön-seramik reçineyi kullanır.Reçin, 3B baskı ile kürlenir ve daha sonra malzemedeki reçineyi tamamen reaksiyona sokmak ve oluşturmak için inert bir gaz atmosferinde 1000 ° C'ye yakın yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Gerekli seramik matriks kompozit malzemeyi elde etmek için tam seramikleştirme durumu.
HRL tarafından geliştirilen SiOC'nin 3D teknolojisi, geleneksel seramik ve kompozit malzeme hazırlamanın sınırlamalarını aşıyor. Bunlar arasında, mevcut masaüstü üç boyutlu litografi sistemi ekipmanı, seramik öncül polimer katmanını istenen şekle basmak ve sertleştirmek için kullanılır, bu da katkı maddesi hazırlığının fizibilitesini sağlar; reçine malzemesi, inert bir ortamda yüksek sıcaklık işlemi altında reaksiyonla oluşturulur. Daha yüksek saflıkta seramikler, bir yandan 3D baskı ile elde edilen şekli korurken, diğer yandan yüksek performanslı seramik matris kompozit malzemeler elde edilir-geleneksel sinterleme yöntemleriyle elde edilen seramikler, reaksiyon sürecinde çok sayıda gözeneğe sahip olacaktır. Bu 3D baskı yöntemi, gözeneklerin girişini etkili bir şekilde önler ve yüksek yoğunluklu seramik malzemeler elde edebilir, böylece malzemeye dirençli malzemenin sertliğini, mukavemetini, aşınma direncini, korozyon direncini ve yüksek sıcaklık performansını önemli ölçüde iyileştirir. 1400 ° 'lik yüksek sıcaklık ortamında, büzülmez veya çatlamaz, mukavemet aynı yoğunluktaki seramiklerin 10 katına çıkarılır ve hazırlık hızı önceki 3D baskının 100 ~ 1000 katıdır - bu nedenle bu yöntemle elde edilen bileşenler temelde yapısal şekil ve boyuttadır. Kısıtlamasız, daha geniş yapısal gereksinimleri karşılayabilir.
Bu tür SiOC malzemesinin mükemmel performansının, hava taşıtı güç sistemlerinde ve hipersonik hava taşıtlarında büyük bileşenlerin yanı sıra elektronik ekipman ve mikro elektromekanik sistemlerdeki karmaşık bileşenlerin kullanım gereksinimlerini karşılaması beklenmektedir ve şu anda AFRL'nin odak noktasını almaktadır. AFRL, bu SiOC malzemesini termal radyasyon kalkanlarını ve diğer işlevsel parçaları hazırlamak için kullanmayı umuyor ve 2018'de HRL ile Ortak Araştırma ve Geliştirme-Malzeme Transferi Anlaşması imzaladı. Anlaşma, HRL'nin 15 SiOC silindirik test çubukları ve 5 termal radyasyon kalkanı gibi test parçaları, malzeme değerlendirmesi ve testi için AFRL'ye teslim edildi.
AFRL, test parçası üzerinde ısıl işlem, malzeme analizi, mekanik analiz (300 ~ 2000'de termal genleşme analizine odaklanan) dahil olmak üzere çalışmalar gerçekleştirdi.Ayrıca, malzeme özelliklerini analiz etmek için Arnold tabanı yüksek entalpi ekipmanı ile birleştirildi. Deney raporu Mart 2018'de tamamlandı ve yeni nesil 3D baskılı SiOC seramiklerinin üretimine rehberlik etmesi için HRL'ye verildi. Test sırasında deneysel koşulların beklenen zarfın üzerine çıktığını ve aşırı ortamlarda test verilerinin elde edildiğini ve bunun da AFRL ve HRL için değerli malzemeler sağladığını belirtmekte fayda var.
Şekil 4 HRL laboratuvarında SiOC test parçasının rüzgar tüneli testi
3D baskı üretim yöntemi, temelde izomateryal imalat ve eksiltmeli imalat gibi geleneksel yöntemlerden farklıdır.Açık yaratıcılığa, esnekliğe ve daha geniş bir potansiyel uygulama yelpazesine sahiptir.Aynı zamanda, işleme döngüsü ve bileşen bütünlüğü açısından önemli avantajlara sahiptir. Bu, bazı yapısal / işlevsel parçaların hazırlanmasında 3D baskının daha büyük potansiyele sahip olmasını sağlar ve hatta belirli bileşenlerin hazırlanması için tek seçenektir.Özellikle, malzemeler ve yapısal özellikler için özellikle katı gereksinimleri olan hipersonik alanındaki teknolojilerin araştırılması ve geliştirilmesi için uygundur. Son yıllarda, 3D baskı teknolojisinin hızlı gelişimi ve uygulamalarının kapsamlı mühendisliği, üstlenebileceği görevleri kademeli olarak çeşitlendirmiş ve malzeme-bileşen-alt sistemler gibi çok seviyeli ürünlerin uygulamasını gerçekleştirmiştir.
3D baskı teknolojisinin parçaların ve bileşenlerin hızlı onarımı, hızlı seri üretimi vb. Açısından yeri doldurulamaz avantajlar göstermesi ve lojistik destek için önemli bir garanti sağlaması beklenebilir. Ayrıca, hazırlık teknolojisinin olgunlaşması, mevcut malzemelerin artması, malzemelerin ve yapısal özelliklerin ilerlemesi ile birlikte, 3D baskı mühendislik üretiminde giderek daha yaygın bir şekilde kullanılacaktır. Şu anda, mükemmel yüksek sıcaklık performansına sahip bazı malzemeler, yalnızca ultra yüksek sıcaklık seramikleri, refrakter metal malzemeler vb. Gibi geleneksel işlemlerle işlenebilmektedir. 3D baskı ile hazırlanabilirlerse, bu malzemeler daha yapısal / işlevsel parçaların tasarım gereksinimlerini karşılayabilecektir. Daha geniş uygulama. Hipersonik hava taşıtının birçok parçasının, her yerde bulunan geleneksel işleme ile karşılaştırıldığında titanyum alaşımları, nikel bazlı süper alaşımlar, C / C, C / SiC vb. Gibi parçaları hazırlamak için pahalı veya az bulunan malzemeler kullanması özellikle önemlidir. Malzemelerin% 90'ından fazlasının kesildiği gerçeğinde, 3B baskı hazırlama yöntemi, hammaddelerin kullanım oranını önemli ölçüde artıracak, yalnızca pahalı malzeme parçalarının üretim maliyetini etkili bir şekilde düşürmekle kalmayacak, aynı zamanda kıt malzemelerin israfını da etkili bir şekilde azaltacaktır.
Şunu da belirtmek gerekir ki, 3D baskıda hala birçok geliştirme ve iyileştirme alanı vardır.Örneğin, mevcut tasarım prosedürlerinde geleneksel üretim süreçleri için hala birçok işlev ve kürleme modülü bulunmaktadır.Tasarımcılar geleneksel düşünceden etkilenmektedir ve kademeli olarak 3D baskı sürecine uyum sağlamaları gerekmektedir. Kabul süreci ile birlikte, mevcut makro malzeme fiziği mühendisliği sistemi ve geleneksel malzeme performansı test teknolojisi, 3B baskı süreçleri için tam olarak uygun değildir ve hala 3B yazdırılabilen çok az malzeme vardır. 3D baskı teknolojisinin olgunlaşması için hala uzun bir yol var. Olumsuz faktörleri nihayet kırmak, daha kapsamlı ve kapsamlı uygulamaları gerçekleştirmek ve hipersonik uçakların temsil ettiği yüksek teknoloji endüstrisi için temel destek sağlamak için uzun bir sarmal süreçten geçmesi gerekiyor.
Bu makale "Taktik Füze Teknolojisi" 2018 Sayı 4'ten aktarılmıştır.
(Bu makale bir ağ alıntı veya yeniden basımdır, telif hakkı orijinal yazara veya yayın medyasına aittir. Çalışmanın telif hakkıyla ilgiliyseniz, lütfen bizimle iletişime geçin.)
