增材制造（AM）是一種通過逐層堆積材料構(gòu)建三維物體的工藝，具有出色的幾何適應(yīng)性和設(shè)計可定制性，這是傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的。航空航天是最早采用該技術(shù)的行業(yè)之一，增材制造已逐步應(yīng)用于火箭燃燒室、發(fā)動機噴管、發(fā)動機渦輪精密部件和方向舵等航空航天精密零部件的快速生產(chǎn)制造。當(dāng)前，航空航天業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是關(guān)鍵零部件的高精度、高質(zhì)量與高效率生產(chǎn)，而這些部件因功能多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要非常復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和較長的制造周期。增材制造技術(shù)經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，正逐步成為有效應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵手段。

圖1 在美國馬歇爾太空飛行中心完成熱試驗的全增材制造火箭推力室組件實例

（資料來源：NASA）

激光增材制造技術(shù)一般分為激光粉末床熔融（LPBF）與激光定向能量沉積（DED）兩類。其中，激光粉末床熔融技術(shù)目前發(fā)展迅速，在科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中備受青睞。LPBF是一種以激光為能量源，基于粉末床鋪粉的增材制造技術(shù)，具有無需模具、一體成形復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)與高精度等顯著優(yōu)勢。該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，尤其適用于液體火箭發(fā)動機推力室核心部件的集成化、輕量化制造，有助于提升產(chǎn)品的可靠性。

圖2 綠激光粉末床熔融（GL-PBF）成形過程實況圖

（資料來源：希禾增材）

LPBF可用于制造液體火箭發(fā)動機推力室的多個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，包括燃燒室、噴注器以及噴管延伸段等。傳統(tǒng)制造方案存在流程復(fù)雜、工序繁多、制造成本高等問題，難以滿足運載火箭高頻率發(fā)射對液體火箭發(fā)動機高效且低成本的制造需求。采用以LPBF為主的增材制造技術(shù)，可實現(xiàn)燃燒室壁內(nèi)復(fù)雜高密度冷卻流道結(jié)構(gòu)的整體成形，顯著縮短制造周期并降低制造成本。根據(jù)Paul Gradl（2022）在美國國家航空航天局（NASA）項目中的案例研究，采用多種金屬增材制造工藝整體制造推力室部件，制造周期可由18個月縮短至5個月，縮短幅度達(dá)72%；制造成本則從31萬美元降至12.5萬美元，降幅約為60%。

圖3 傳統(tǒng)制造與增材制造在火箭燃燒室制造中的周期與成本對比

（資料來源：https://ntrs.nasa.gov/）

近年來，已有多個液體火箭發(fā)動機推力室成功采用LPBF完成制造并通過驗證。其中，燃燒室再生冷卻通道的整體制造是典型應(yīng)用之一。燃燒室壁內(nèi)布設(shè)大量并排且走向復(fù)雜的冷卻通道，對制造精度要求極高。采用LPBF無需傳統(tǒng)的焊接或裝配工藝，即可一次成形具備精細(xì)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的完整部件，這不僅提高了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的完整性，還因通道內(nèi)的幾何自由度提升，顯著增強了冷卻效率。以Linde公司與Ariane Group聯(lián)合開發(fā)的銅合金火箭燃燒室為例，采用LPBF增材制造，通過工藝優(yōu)化，不僅實現(xiàn)了低成本制造和快速交付，還呈現(xiàn)出優(yōu)異的產(chǎn)品質(zhì)量，充分證明了該技術(shù)在制造高熱負(fù)荷、復(fù)雜內(nèi)腔航天部件方面的適配性和可靠性。

圖4 Ariane Group銅合金3D打印火箭燃燒室（資料來源：tct magazine）

然而，材料本身的物理特性也使其在LPBF增材制造中面臨成形穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)。燃燒室的再生冷卻結(jié)構(gòu)通常采用具有良好導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的銅基高導(dǎo)熱合金，以滿足燃燒室襯里對高效再生冷卻的性能要求。由于銅材料本身具有高反射率、導(dǎo)熱性強等特點，在傳統(tǒng)LPBF工藝中，激光能量難以被充分吸收，從而導(dǎo)致熔池穩(wěn)定性降低。最終可能造成打印樣件致密度低、孔隙率高，不僅難以制造出復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)，還容易出現(xiàn)分層、開裂等問題，影響成形質(zhì)量。

材料對激光的吸收率是影響成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。純銅及銅合金對激光的吸收率隨激光波長的增加單調(diào)遞減，在激光波長超過550nm后吸收率急劇下降。研究對比發(fā)現(xiàn)，銅在綠激光（λ=532nm）下的吸收率比在紅外激光（λ=1064nm）下高出十倍以上，采用綠光等短波長激光進行高質(zhì)量純銅及銅合金LPBF將更為簡單高效。因此，使用以綠光為能量來源的LPBF，是克服純銅及銅合金等高反金屬增材制造挑戰(zhàn)的有效途徑之一。

圖5 金屬材料在不同波長激光下的吸收率（%）

與1064nm的紅外激光相比，綠激光具有細(xì)小光斑、高能量密度、工藝窗口寬和打印飛濺少等優(yōu)勢，能夠同時滿足短波長、高功率、高光束質(zhì)量的應(yīng)用訴求。希禾增材針對純銅、銅合金以及高反、難熔金屬在加工中的適配難題，自主研發(fā)了世界領(lǐng)先的增材制造專用綠光光纖激光器，并將其成功集成于綠激光金屬3D打印設(shè)備系列。其中，全球首臺多綠激光大尺寸設(shè)備XH-M660G專為大尺寸銅基部件量身定制，為航空航天等領(lǐng)域提供了高效、可靠的激光選區(qū)熔化（LPBF）增材制造解決方案。532nm波長的綠激光顯著提升了材料對激光能量的吸收率，徹底解決傳統(tǒng)LPBF在高反材料加工中的局限，實現(xiàn)了更高的能量利用率、更穩(wěn)定的熔池控制和更優(yōu)的打印質(zhì)量，全面提升了產(chǎn)品的制造精度與生產(chǎn)效率。

圖6 希禾增材綠激光金屬3D打印設(shè)備

希禾增材M660G設(shè)備兼容高強度、高導(dǎo)熱的航天級合金材料，支持多種金屬的快速試驗與工藝驗證，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)與高密度冷卻通道等關(guān)鍵特征的一體化成形。圖7所示的多款推力室產(chǎn)品，均采用綠激光LPBF增材制造，整體成形質(zhì)量優(yōu)異，具備良好的一致性與表面質(zhì)量。其中，部件致密度可達(dá)99.8%以上，表面粗糙度（Ra）控制在4–8?μm，大部分區(qū)域無需打磨即可直接使用，顯著降低了后處理工作量，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時，有效加快了交付進程。

圖7 希禾增材航空航天推力室產(chǎn)品

綠激光粉末床熔融（GL-PBF）技術(shù)在航空航天領(lǐng)域展現(xiàn)出全面優(yōu)勢，涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料利用、產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本和加工周期等多個方面，是航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件高效集成制造的重要手段。希禾增材綠激光LPBF設(shè)備具備出色的成形精度，能夠直接、快速制造金屬結(jié)構(gòu)功能零部件，特別適用于推力室等高熱負(fù)荷關(guān)鍵部件，正逐步為高效制造與高品質(zhì)交付開辟新路徑。

• 大層厚工藝：支持最高120?μm層厚打印，有效提升堆積效率，縮短成形時間，滿足批量制造與快速交付需求。

• 材料兼容能力：可穩(wěn)定加工多種高反射、高導(dǎo)熱金屬，尤其適用于純銅及銅合金材料加工，兼顧精度與表面質(zhì)量。

• 縮短研發(fā)周期：相比傳統(tǒng)制造至少1個月的周期，使用XH-M660G打印燃燒室可縮短至十天內(nèi)，實現(xiàn)快速驗證與高效迭代。

圖8 希禾增材3D打印液體火箭發(fā)動機燃燒室

希禾增材始終以“推動綠激光金屬增材制造技術(shù)的規(guī)模化與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”為使命，立足應(yīng)用拓展，持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，致力于為航空航天等高端制造領(lǐng)域提供更優(yōu)的綠激光解決方案。未來，公司將持續(xù)深耕金屬增材制造領(lǐng)域，聚焦材料適應(yīng)性、成形效率、成本控制與后處理等關(guān)鍵難題，賦能復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的大尺寸、高精度打印。通過不斷推進工藝優(yōu)化與技術(shù)升級，進一步拓展綠激光金屬增材制造在復(fù)雜結(jié)構(gòu)與高性能材料等方向的應(yīng)用深度，加速其在先進制造體系中的融合與落地。

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