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法國(guó)航天局利用3D打印陶瓷探索空間推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)

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法國(guó)航天局 (CNES) 進(jìn)行的一項(xiàng)新研究正在調(diào)查 3D 打印的氧化物陶瓷材料如何改進(jìn)用于空間推進(jìn)的關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該研究的重點(diǎn)是開發(fā)優(yōu)化的釔鋁石榴石 (YAG) 干凝膠，當(dāng) 3D 打印成復(fù)雜形狀時(shí)，該干凝膠可提供理想的強(qiáng)度和抗蠕變性。根據(jù) CNES 的說法，這些增材制造的 YAG 陶瓷可以構(gòu)成未來用于深空探索渦輪葉片的金屬合金的基礎(chǔ)。

3D 打印的 YAG 陶瓷結(jié)構(gòu)。圖片來自科學(xué)報(bào)告。

用于空間的陶瓷 3D 打印

由于材料具有理想的機(jī)械性能和增材制造技術(shù)帶來的幾何設(shè)計(jì)可能性，3D 打印陶瓷正在越來越多地被用于一系列與空間相關(guān)的應(yīng)用中。幾年來，3D 打印陶瓷已被用于在下一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中創(chuàng)建增強(qiáng)組件，以及其他新穎的航空航天應(yīng)用。陶瓷創(chuàng)新最前沿的公司之一是 CeramTec，該公司此前曾與歐洲航天局 (ESA) 和空中客車公司合作，為國(guó)際空間站 (ISS) 上的空間實(shí)驗(yàn)設(shè)施生產(chǎn)新一代陶瓷樣品容器。國(guó)際空間站也是 Made In Space 的陶瓷制造設(shè)施渦輪陶瓷制造模塊 (CMM) 的所在地，其中包含一臺(tái) SLA 3D 打印機(jī)，用于展示在微重力環(huán)境中制造單件陶瓷渦輪部件的可行性。

最近，數(shù)字復(fù)合制造 (DCM) 3D 打印平臺(tái)開發(fā)商 Fortify 與陶瓷 3D 打印專家 Tethon 3D 合作開發(fā)用于增材制造的新技術(shù)陶瓷，包括火箭噴嘴等極端溫度部件。在其他地方，3D 打印服務(wù)局 3DCeram 與 CNES 的衍生公司 Anywaves 合作，為小型衛(wèi)星設(shè)計(jì) 3D 打印陶瓷天線，而奧地利工程公司 Incus 目前正在與 ESA 和陶瓷 3D 打印專家 Lithoz 合作，探索如何在月球表面可以加工成月球站的 3D 打印備件。

美國(guó)宇航局工程師凱特魯賓斯在安裝在國(guó)際空間站上的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)旁邊。照片來自美國(guó)國(guó)家航空航天局。

改進(jìn)空間推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CNES關(guān)于氧化物陶瓷的最新研發(fā)工作希望改進(jìn)空間推進(jìn)關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以提高液體推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。目前，由金屬合金的電阻施加的最大允許渦輪溫度限制了液體推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的性能。據(jù)該機(jī)構(gòu)稱，為渦輪機(jī)部件引入抗蠕變氧化物陶瓷有助于提高循環(huán)溫度，從而提高深空探索任務(wù)的性能。之所以選擇 YAG，是因?yàn)樗诟邷叵戮哂欣硐氲臋C(jī)械性能，特別是它的高強(qiáng)度、在 1000 攝氏度以上的溫度下具有良好的蠕變性能、低導(dǎo)熱性、物理和化學(xué)穩(wěn)定性以及對(duì)水蒸氣腐蝕的高抗性。

目前，由于其成本低、使用方便，擠壓是陶瓷直接成型應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。雖然過去曾使用增材制造來打印 YAG 陶瓷，但該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)大工藝規(guī)模和生產(chǎn)更大數(shù)量的潛在挑戰(zhàn)，例如雜質(zhì)的形成。因此，他們著手改進(jìn)和擴(kuò)大制備 YAG 干凝膠（凝膠中的液體在室溫下蒸發(fā)時(shí)留下的固體）的工藝，并研究所得干凝膠糊的可印刷性。

YAG 干凝膠的制備方案。圖片來自科學(xué)報(bào)告。

降低成本和節(jié)約能源

使用這種技術(shù)，CNES 團(tuán)隊(duì)通過修改為“實(shí)驗(yàn)室規(guī)?！焙铣啥O(shè)計(jì)的方案，成功地?cái)U(kuò)大了 YAG 干凝膠的生產(chǎn)。研究人員使用干燥的 YAG 干凝膠配制漿料，該漿料可以使用建筑 3D 打印公司 WASP 的 Delta WASP 2040 粘土 3D 打印機(jī)進(jìn)行 3D 打印。然后在不同溫度下煅燒印刷的繩索結(jié)構(gòu)，以監(jiān)測(cè)干凝膠向結(jié)晶 YAG 陶瓷的轉(zhuǎn)變。通過這一過程，該團(tuán)隊(duì)證明了在 1550-1700 攝氏度之間熱處理后燒結(jié)并獲得粘性陶瓷件的可能性。該團(tuán)隊(duì)還觀察到，他們的組合制備和 3D 打印工藝能夠降低成本和能源，因此“被工業(yè)部門認(rèn)可”為一種節(jié)能工藝。特別是，CNES 團(tuán)隊(duì)將用于太空探索的陶瓷渦輪部件的制造視為其 3D 打印 YAG 干凝膠的有前途的應(yīng)用。