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美國空軍在阿諾德基地探索高超音速3D打印技術(shù)

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導(dǎo)讀：高超音速是一項熱門研究領(lǐng)域，人們希望可以研制出高于聲音幾倍速度的飛行器。為了達(dá)到超過5馬赫的速度，金屬需要不斷突破極端環(huán)境下的高溫。目前，已經(jīng)有越來越多的高超音速研究人員，轉(zhuǎn)向嘗試使用3D打印技術(shù)，利用該技術(shù)獨特的材料和技術(shù)，開發(fā)超級零件。

△美國空軍的白橡樹9號超高速風(fēng)洞，正在測試末端高空區(qū)域防御（THAAD）導(dǎo)彈

2022年8月19日，南極熊獲悉，美國空軍正在馬里蘭州白橡樹的阿諾德工程發(fā)展中心，測試3D打印在超高速風(fēng)洞的作用。

超高速風(fēng)洞早期的3D打印研究

該風(fēng)洞由美國空軍，用于高超音速地面測試和計算模擬的驗證。該設(shè)施團隊最初在七年前購買了一臺桌面材料擠壓機，但無法生產(chǎn)任何實質(zhì)性的東西。2019年，9號風(fēng)洞系統(tǒng)和氮氣供應(yīng)工程師Samuel Gigioli著手重新啟動3D打印項目。這一次工程師們，利用該技術(shù)打印了塑料安裝夾具、固定裝置、量具和其它等工具。

末端高空區(qū)域防御（THAAD）導(dǎo)彈，旨在攔截和摧毀大氣層內(nèi)外的彈道導(dǎo)彈，而這些導(dǎo)彈正處于飛行的最后階段。這里顯示的THAAD導(dǎo)彈是在AEDC位于馬里蘭州白橡樹的9號超高速風(fēng)洞設(shè)施中，以收集高精度的靜態(tài)穩(wěn)定性和阻力數(shù)據(jù)。一旦證明，相同的測試模型和儀器將用于馮卡門氣體動力學(xué)設(shè)施，以確認(rèn)兩個AEDC設(shè)施之間存在互補的測試能力。

因此，他們又購買了兩臺3D打印機，包括用于制造詳細(xì)部件的大桶光聚合機，和一臺大尺寸的長絲擠出機。通過內(nèi)部3D打印，該小組能夠在短短幾小時內(nèi)獲得部件，而不是幾周時間。Gigioli說：“已經(jīng)有一些3D打印工具原型應(yīng)用于風(fēng)洞測試。事實上，一個非常關(guān)鍵的航空光學(xué)部件，就是采用我們的樹脂3D打印機制作的，還有一些打印機制作測量或其它雜項部件。”

△3D打印耐高溫金屬襯墊特寫

超高速風(fēng)洞使用耐高溫金屬3D打印襯墊

2019年2月，該小組進(jìn)行了更為先進(jìn)的3D打印研究，使用激光粉末床融合技術(shù)，為9號風(fēng)洞制作開啟了一個耐高溫金屬3D打印硬件項目。其目的是縮短隧道內(nèi)使用的高溫部件的交貨時間和成本。

Gigioli說："9號風(fēng)洞的零件，持續(xù)面臨著非常高的高壓和高溫，這些零件的壽命明顯短于其它風(fēng)洞內(nèi)的零件?，F(xiàn)在，采用3D打印技術(shù)，這些部件可以承受高達(dá)3000華氏度的高溫（1648°度）。這就是為什么該技術(shù)制作金屬的原因，在極端高溫環(huán)境下變形相對較小的金屬。"

Gigioli領(lǐng)導(dǎo)這個團隊，管理材料、設(shè)備和打印機，同時與9號風(fēng)洞首席設(shè)施工程師Nicholas Fredrick一起工作。一個承包商負(fù)責(zé)打印零件，管理生產(chǎn)工作流程，而另一個承包商提供打印粉末并進(jìn)行材料特性分析。

△超高速風(fēng)洞使用3D打印制造的耐高溫金屬襯墊。它是保障風(fēng)洞在高馬赫運行下的組件之一，它可以承受幾千度的溫度。外徑約為3英寸，內(nèi)徑約為2英寸，長度為3英寸

在該團隊打印的零件中，這個金屬3D打印耐高溫襯墊是超高速風(fēng)洞穩(wěn)定運行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。該部件被放置在9號風(fēng)洞的兩個爆破隔膜之間，是隧道中作為高速閥門運行的一個組件的一部分。據(jù)Gigioli說，3D打印的襯墊比傳統(tǒng)制造的對應(yīng)部件性能更好。"Gigioli表示：“該部件的制造成本更低，制造和交付速度更快，而且對循環(huán)溫度負(fù)荷的彈性更強，3D打印工藝在材料中創(chuàng)造了非常獨特的微觀結(jié)構(gòu)，因此，該零件的結(jié)構(gòu)和熱性能與傳統(tǒng)的鍛打金屬坯料不同。"

接下來，該團隊將測試一個3D打印的顆粒分離器，用于過濾隧道內(nèi)空氣中的顆粒，一旦完成，該部件將在九月左右在高馬赫條件下進(jìn)行測試。隨著先進(jìn)的3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，目前，全球參與高超音速軍備競賽的還有普渡大學(xué)、Astro America、Orbital ATK、Raytheon，以及VELO3D、GE和Lockheed Martin等。