弗劳恩霍夫 ILT 研究3D 打印零排放氢发动机，支持可持续航空航天制造业

2024年10月18日，南极熊获悉，弗劳恩霍夫激光技术研究所 (ILT)致力于利用 3D 打印技术提高航空航天制造业的可持续性。该研究机构总部位于德国亚琛，其增材制造技术正在帮助航空航天公司满足欧盟可持续性法规。

例如，弗劳恩霍夫 ILT 正在开发用于激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印的金属粉末，以支持零排放氢火箭发动机。这些材料是通过资源节约、气候友好型航空技术与创新 (TRIKA) 计划开发的，有助于生产符合氢推进系统严格行业要求的轻型发动机部件。

研究人员还在进行生命周期评估 (LCA)，以确定 LPBF 3D 打印在航空航天应用中的生态和成本优势。弗劳恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合部门负责人 Tim Lantzsch 博士称这些评估对于确定制造可持续性“不可或缺”。

此外，弗劳恩霍夫正在研究一种使用激光材料沉积 (LMD) 3D 打印更高效、更精确地生产火箭部件的工艺。到 2025 年 10 月，该项目旨在为欧洲航天局(ESA) 的阿丽亚娜计划 3D 打印火箭喷嘴并制造全尺寸演示器。据报道，利用金属增材制造来生产这些部件可以降低成本并缩短生产时间。

△阿丽亚娜5 号火箭成功发射。照片来自 Fraunhofer ILT。

零排放氢发动机

欧盟的《ReFuelEU》航空法规要求到2050年二氧化碳排放量要比1990年的水平减少60%。此外，新的《欧洲空间法》（EUSL）将包括有关空间可持续性的新规则。

为了满足这些苛刻的期限，弗劳恩霍夫 ILT 指出了 LPBF 3D 打印的价值。研究人员强调了其生产轻质、复杂、高强度部件的能力，这些部件针对航空航天应用进行了优化。

由德国联邦经济和气候行动部牵头的 TIRIKA 计划旨在推动氢气成为航空业的零排放能源。通过该项目，弗劳恩霍夫 ILT 正在与材料制造商合作，生产适用于 3D 打印氢发动机部件的铝合金粉末。研究人员还针对市售材料调整了 LPBF 工艺，验证了它们在发动机生产中的应用。

据弗劳恩霍夫 ILT 研究员 LukeSchüller 介绍，该团队的 3D 打印工艺可实现超过 99.5% 的相对组件密度，以及超过 100 cm 3 /h 的构建速度。至关重要的是，专门开发的 3D 打印粉末具有抗氢性，氢在高压和高温下会导致脆化和疲劳。据报道，3D 打印还能够生产出铸造和锻造等传统工艺无法实现的复杂几何形状和功能结构。   

△卢克·舒勒。照片来自 Fraunhofer ILT。

3D打印是否更具可持续性？     

弗劳恩霍夫 ILT 进行了生命周期评估，以确定 3D 打印航空部件与使用传统生产技术制造的部件相比的可持续性。在此，团队评估了部件的整个生命周期，涵盖原材料采购、生产、使用和回收。   

据报道，LCA 数据可让研究人员更快、更高效地设计新产品的启动流程。它还能帮助他们评估生产过程中的质量、成本、能源和资源消耗。最后，LCA 为航空航天生产提供了更大的透明度。

根据弗劳恩霍夫 ILT 的 LCA 分析，虽然 LPBF 3D 打印消耗大量能源，但其环境足迹比传统方法“小得多”。

值得注意的是，它通过仅使用制造零件所需的精确材料量来最大限度地减少生产过程中的材料浪费。制造更轻质零件的能力还可以减少航空航天部件的燃料消耗，从而进一步降低整个产品生命周期对环境的影响。

3D打印可持续太空火箭

据报道，Fraunhofer ILT 的 3D 打印功能在欧盟的ENLIGHTEN（欧洲低成本、创新和绿色高推力发动机项目倡议）项目中发挥着关键作用。

ENLIGHTEN 于 2022 年启动，旨在开发可由生物甲烷和绿色氢气驱动的经济实惠且环保的火箭发动机。目标是利用这些发动机为欧空局阿丽亚娜太空计划的可重复使用火箭提供动力。

通过该项目，弗劳恩霍夫 ILT 的增材制造和修复 LMD 小组正在努力使用 LMD 3D 打印制造火箭。弗劳恩霍夫 ILT 增材制造和修复 LMD 小组负责人 Min-Uh Ko 声称 LMD 显著提高了“制造新型火箭喷嘴的速度和成本效益”。  

研究团队的 3D 打印设计具有精致的薄壁冷却通道，使用替代生产方法生产起来要困难得多。据报道，传统制造还会产生耗时且昂贵的工艺链，可能需要几个月才能交付最终部件。使用本地增材制造可以大大减少这一过程。  

最终，该团队希望建立一个可靠、受控的 LMD 生产流程，其中包括质量保证，以支持大批量生产。它将采用一个在线系统，使用传感器监控整个 3D 打印过程。据报道，他们将检测和纠正流程异常，并确保零件质量始终如一。

Min-Uh Ko 补充道：“凭借我们的成果，我们可以使该行业作为航空航天工业的供应商，未来能够通过 LMD 在自己的系统上生产同样大型、复杂和精细的结构。”      

△Min-UhKo，Fraunhofer ILT 增材制造和修复 LMD 团队负责人。照片来自 Fraunhofer ILT。

增材制造在航空航天领域的应用

航空航天和空间应用对增材制造的采用继续加速。埃隆·马斯克的火箭公司SpaceX最近同意从位于加利福尼亚州的金属增材制造公司 Velo3D获得金属 3D 打印机的许可。

SpaceX 已同意向 Velo3D 支付 500 万美元以获得其增材制造能力，这是其之前向SpaceX 提供 3D 打印机的协议的基础。增材制造此前曾用于 SpaceX 的 Raptor 发动机的生产，据报道，它在整合零件和优化设计方面发挥了至关重要的作用。马斯克宣称他的公司拥有“最先进的 3D 金属打印技术”。

另外，韩国工业 3D 打印解决方案提供商InssTek与韩国航空宇宙研究院(KARI)合作开发了 3 吨多材料火箭喷嘴和火箭喷嘴延长件。

这款火箭采用定向能量沉积 (DED) 3D 打印技术制造，内部部分由铝青铜（铜合金）制成，外部部分由 Inconel 625（镍基高温合金）制成。火箭喷嘴延伸部分采用 C-103（一种铌合金）3D 打印而成。据报道，增材制造对于创建复杂的结构和功能至关重要，这些结构和功能可解锁组件所需的效率和可靠性。