3D打印创新在NASA起飞

当你听到“3D打印”这个词时，你可能会想到一个小产品或一个易于在台式机器上生产的维修部件。但如果你在美国国家航空航天局工作，你可能会想象3D打印一个7英尺高的火箭喷嘴，能够支持长时间的太空飞行。更令人兴奋的是，你可能会想象宇航员在空间站或遥远的星球上准备返回地球时制造火箭喷嘴。

位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心(MSFC)的结构材料工程师弗雷德里克·迈克尔(Fredrick Michael)正致力于利用Ansys增材制造解决方案套件将这些雄心勃勃的愿景变为现实。Michael是工程模拟和其他先进工具的热心倡导者，这些工具为NASA的历史性产品开发方法提供了涡轮增压——推动了模拟和增材制造的边界。

Michael说:“2015年，NASA制定了一项名为‘远景2040’的25年计划，该计划强调了航空航天应用中材料和系统的多尺度建模和基于仿真的设计的重要性。”“我们与Ansys的合作伙伴关系以及我们对增材制造或3D打印的关注，正在帮助我们的MSFC团队兑现对创新的承诺。通过利用新的计算方法和3D打印等先进工艺，我们正在尽自己的一份力量，使NASA保持在全球航空航天工程的前沿。”

增材制造的早期采用者

从增材制造技术商业化的早期开始，NASA就一直是该技术的用户和支持者。美国宇航局将其内部专业知识与工业界和学术界的见解相结合，开创了打印火箭部件的新方法，这些部件能够为前往月球、火星和其他目的地的旅行提供动力。

Michael说:“NASA已经投资于完善一系列部件的增材制造技术，从喷油器等较小的部件到非常大的单件火箭发动机及其部件，无论是单次构建还是多次构建。”“此外，我们已经开始通过增材制造和相关的计算建模来探索大型油箱和结构。最后，但并非最不重要的是，我们在低地球轨道(LEO)上的太空制造以及我们的月球轨道和月球栖息地计划正在迅速发展，并与现有的和需要的增材制造和焊接过程的计算建模并行。无论大小成品部分，有一些常见的工程和生产挑战，我们使用Ansys软件来解决。

Michael继续说道:“这些挑战中最主要的是确保打印部件在经受与航空航天应用相关的极端温度和物理力的影响时，随着时间的推移在结构上保持良好。“变形和收缩是常见的，所以我们在Ansys中对零件进行建模，创建一种数字双胞胎，并将虚拟模型应用于现实条件和高温等苛刻的操作参数。”

的加法制造套件还使NASA能够测试具有不同晶粒结构和形态的不同粉末和合金，因此工程师可以在最小的尺度上最小化缺陷。“我们可以在建造前和建造后对材料进行表征，”迈克尔说。“我们可以观察它们的微观结构和整体结构强度。我们可以量化热处理的效果。Ansys为我们提供了先进的工具包，可以在各种可能的规模和各种可能的条件下评估这些打印部件，这真的是非常宝贵的。”

优化定向能沉积工艺

事实证明，增材制造套件对NASA成功使用定向能沉积(DED)至关重要，这是一种专门的生产技术，可以制造非常大的部件，包括7英尺高、5英尺直径的火箭喷嘴。

在DED过程中，机器人以特定的模式移动激光驱动的3D打印头，因为它一次沉积一层熔融金属，以创建预定义的几何形状。NASA使用DED来制造具有复杂形状的大型火箭喷嘴——甚至是内部腔——比依靠传统的锻造方法更快，成本更低。事实上，火箭喷嘴可以通过DED在30天内生产出来，而传统的制造技术需要一年。

“Ansys软件不仅可以帮助我们优化最终产品的形状及其性能特征，包括材料特性，而且它还具有独特的功能，使我们能够优化DED工艺本身，”Michael说。例如，我们已经能够模拟多个激光头的使用。我们已经能够决定我们是应该打印产品的正反面，还是反面。我们还将优化激光的路径和它所沉积的材料的数量。Ansys与NASA合作，使这种较少使用的增材制造工艺的结果更容易理解和控制。”

3D打印在太空:最后的边疆

NASA的一个更令人兴奋的发展是使用DED和其他增材制造技术在太空中生产维修零件或新设备的可能性。随着宇航员团队探索其他星球或生活在空间站上，他们需要按需生产产品，而不是储存产品。3D打印将使宇航员能够轻松快速地制造出他们所需的精确零件、工具和材料。

虽然美国国家航空航天局于2014年向太空发射了第一台3D打印机，但该技术仍未得到广泛应用。根据Michael的说法，模拟对于使增材制造在太空中更加可行和广泛采用至关重要。

他说:“在太空中制造零部件带来了全新的温度范围和生产参数。”“没有方向性，没有引力，没有浮力。如果在真空中，加热是通过辐射和部分传导完成的，而不是对流。传统材料可能不可用或不可行的，因为它们不能部分或完全适应增材制造工艺或微重力和真空条件。这是一个完全不同的景观。Ansys对于帮助我们的团队建立世界模型并增加我们对世界的理解至关重要，减少了在零重力下降室或其他物理测试元素(如重复微重力抛物线飞行甚至国际空间站(ISS))中，在有限的资源上进行流程开发和测试大型矩阵的需要。”

Ansys本身是否可以在太空中用于优化3D打印项目?Michael说:“我认为我们刚刚开始看到仿真和DED可以实现什么，我赞赏Ansys为这一新兴领域开发专业能力所做的努力。

“我可以充满信心地说，Ansys创建的软件工作流程在让NASA走到这一步方面非常非常有用。Ansys软件甚至可以让我们最新的工程师直接进入并开始优化增材制造过程。因此，我想说的是，在我们陆地和太空工作的每一步中，Ansys都能充分利用增材制造和相关制造的计算建模，这是我们对这种合作的未来的设想。”Michael说。