尼康SLM Solutions为NASA GRCOP-42铜合金开发新材料参数

2023年12月12日，南极熊获悉，金属 3D 打印机制造商Nikon SLM Solutions为NASA的GRCop-42 铜合金创建了新的材料参数。这些参数的开发是为了满足航天工业对GRCop-42 不断增长的需求。SLM Solutions希望这种现成的解决方案能够缓解粉末供应挑战，并允许服务提供商在尼康SLM 3D打印机上成功3D打印空间组件。

材料参数在设计时考虑了可扩展性，并针对NXG XII 600等大幅面 3D 打印机进行了优化。据报道，新参数还可以实现 99.97% 的密度，以及 3D 打印机构建区域的单激光和多激光重叠区域的稳定特性。

该公司在最近发布的案例研究中表示：“开发工作体现了尼康 SLM Solutions 为 GRCop-42 提供解决方案的承诺，为航天工业更广泛的采用铺平了道路。尼康 SLM 解决方案可以缩短供应链时间表并改善未来太空项目的前景。这些结果与 SLM 的开放式架构相结合，可以将参数设置扩展到更大的平台，例如构建高度为 1.5 米的 NXG XII 600 和 NXG XII 600E。”

△SLMSolutions NXG XII 600 3D 打印机。 图片来自SLM Solutions

NASA 的 GRCop-42 材料

GRCop-42 铜合金材料是由阿拉巴马州NASA 马歇尔太空飞行中心(MSFC) 和俄亥俄州NASA 格伦研究中心(GRC)的团队于2019 年开发的。

这种铜铬铌材料是 NASA 更广泛的GRCop 合金系列的一部分，具有高导热性和高强度。该合金旨在实现快速散热，并针对需要热稳定性和抗蠕变性的液体火箭发动机的生产进行了优化。

火箭发动机制造商PANGEA Aerospace和增材制造工程公司AENIUM此前曾合作使用 GRCop-42开发3D 打印推进系统并将其工业化。两家公司致力于利用铜合金材料的特性来制造功能齐全、经济可行且省时的 PANGEA Aerospike 发动机。

尼康 SLM 并不是第一家为GRCop-42 开发专有 3D 打印工艺的公司。2021年，航空航天增材制造服务提供商Sintavia为NASA开发的铜合金开发了自己的3D打印参数和热处理后处理步骤。

Sintavia 的 GRCop-423D 打印参数集是在慕尼黑 3D 打印机制造商EOS的M400-4 3D 打印机上开发的。据报道，这些参数可以产生密度至少为 99.94% 的部件，并且可以提供 28.3 ksi 的最小拉伸强度、52.7 ksi 的最小极限屈服强度和 32.4% 的最小伸长率。

△使用EOS M400-4 3D 打印机 3D 打印铜零件。 照片来自 Sintavia。

优化 GRCop-42 以满足不断增长的需求  

在材料参数开发过程中，GRCop-42粉末的供应由尼康SLM Solutions的全球生产合作伙伴保证。这里规定了粉末质量，并对每批产品的质量进行内部筛选。

该公司在最初的开发过程中使用了两台SLM 280 2.0 700W 3D 打印机。据称，这些新参数可提供与市场上其他激光粉末床熔融 (L-PBF) 3D 打印机相当或更好的结果。

在 3D 打印参数的开发过程中，从小零件到大型组件的可扩展性通常会带来挑战。为了解决这个问题，尼康 SLM 研究了激光填充参数、边界轮廓以及蒙皮上下参数，以获得最佳表面粗糙度。

然后选择最佳参数并通过高曝光区域构建进行测试，以评估整个构建平台的稳健性。然后，尼康SLM 团队制作了一个参数发布候选版本，并使用不同的方法对其进行了测试，然后进行了一系列资格认证工作。进行这些3D 打印作业是为了收集整个 3D 打印平台和多个构建的统计机械属性数据。

△SLM280 2.0 3D 打印机。照片来自 SLM Solutions

参数发布候选代表了高曝光3D打印预期机械性能的真实视图。这些特性包括立式机加工零件的 290 MPa 屈服强度、535 MPa 极限拉伸强度和 22% 断裂后伸长率。卧式机加工零件的屈服强度为 340 MPa，极限拉伸强度为 545 MPa，断裂后伸长率为 21%。该公司声称，薄壁和厚壁的大型部件，以及经过热等静压 (HIP) 处理的部件，可能会大大超过这些值。

据说缩放因子和光束补偿值的调整是参数开发过程的关键部分。Nikon SLMSolutions 表示，这些参数是高精度 3D 打印零件的关键。

该公司声称其参数开发方法包括对缩放和光束补偿进行必要的调整。据报道，这些都在零件上进行了验证和标准化，包括不同尺寸和几何形状的测试工件。   

展望未来，尼康SLM Solutions将致力于评估HIP后处理对机械性能的影响、后处理参数对NXG XII 600的可扩展性以及大型零件的参数优化。  

△构建作业来测试发布候选参数，包括水平/垂直拉伸杆。 照片来自尼康 SLM Solutions

3D 打印太空组件

采用金属增材制造来生产太空零件的情况无疑正在增长。今年早些时候，NASA 宣布成功 3D 打印并测试了一种新型火箭发动机喷嘴，作为其RAMFIRE 项目的一部分。

NASA 工程师与材料开发商Elementum3D合作开发了新型 RAMFIRE 喷嘴。两个合作伙伴创造了一种可焊接铝，具有火箭发动机所需的耐热性能。据 NASA 称，这种新型 RAMFIRE 火箭发动机喷嘴比传统喷嘴更轻，可以执行携带更重有效载荷的深空任务。

此外，3D 打印机制造商 EOS 的德国合作伙伴公司AMCM最近推出了其最新的金属激光束粉末床融合 (PBF-LB) 3D 打印机 AMCM M 8K。

这款新型 AMCM M 8K 专为生产3D打印太空火箭组件而设计。这种新型 3D 打印机的第一个应用将是为ArianeGroup 的 Prometheus 火箭发动机生产燃烧室。这些部件高度超过1,000 毫米，采用 CuCr1Zr 材料 3D 打印而成。