火箭发动机轻量化结构的设计与3D打印探索

基于粉末床选区激光熔化的金属3D打印技术在制造复杂轻量化结构零件方面，给予了设计师更广阔的设计空间。利用金属3D打印技术在实现复杂性结构方面的优势和专有的建模软件，设计师可以实现出多种的轻量化结构。莫纳什大学的科研团队通过金属3D打印设备和轻量化结构的设计思路，对火箭发动机零件进行了再设计和探索，该科研项目的其中一个研究成果是一个火箭发动机轻量化3D打印零件。

通过EOS M280 打印的火箭发动机轻量化零件原型

实现轻量化的途径：增材设计思维+金属3D打印

莫纳什大学在航空航天增材制造领域有着多年的经验积累，其科研团队和大学技术产业化的公司Amaero Engineering ，曾与法国宇航企业赛峰集团合作，开发了两台3D打印的喷气式发动机，目前该发动机已经进入到商业化阶段。除了在飞机发动机增材制造方面的研究，莫纳什大学和Amaero Engineering还与Betatype合作，通过Betatype复杂晶格建模软件平台Engine-Platform 开发火箭发动机轻量化零件。在这个研究项目的最后一年，莫纳什大学的团队开发了一系列体现3D打印特点的概念性火箭零件，其中一个零件是火箭壁内的带有随形冷却夹芯结构的轻量化零件。由于结构的设计至关重要，莫纳什大学团队自己开发了脚本指定零件中的微格结构，通过Engine-Platform软件中开放的 Arch格式，研究团队能够避免因创建网格结构而产生大量的数据。软件中抽象的算法，大大降低了CAD模型数据的复杂度，使得模型数据更容易管理。
通过Concept Laser X-Line 打印的火箭发动机轻量化零件原型
在设计完成之后，莫纳什大学通过EOS M 280 金属3D打印设备和不锈钢316L材料制造了一批零件的原型，并通过 Concept Laser X-Line 金属3D打印设备打印一组尺寸较大的零件原型。实现轻量化主要有两种途径，宏观层面上可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料来达到目的。微观层面上可以通过采用高强度结构钢这样的材料使零件设计得更紧凑和小型化，有助于轻量化。而3D打印通过实现特殊的轻量化结构设计，为实现轻量化提供了新的可行性。在设计轻量化结构零件时，需要结合整个零件的功能实现，综合考虑空隙精度、空隙率、空隙形状、空隙大小、孔分布以及相互之间连通性等因素。轻量化结构零件由基本结构、外形结构及超轻结构合成，在这个过程中，体现出设计能力的水平。

在国内外的金属3D打印企业中，英国雷尼绍、西安铂力特等金属3D打印企业也针对增材制造轻量化结构进行了大量探索，例如，铂力特针对中空夹层、薄壁加筋，镂空点阵，功能集成的一体化这四种典型的轻量化结构进行了探索，通过轻量化结构的设计和金属3D打印设备为航空航天、汽车等机械轻量化零件的制造提供解决方案。在设计软件领域，Altair的solidThinking Inspire 拓扑优化软件在设计轻量化3D打印零部件领域也有大量应用，例如，德国德累斯顿工业大学的科研团队通过Inspire软件，基于金属3D打印的方式重新设计了转向柱底座,将必要部件数量从四个减少为一个,节省了35%的重量(从500g减少至330g)。