“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

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根据深蓝航天消息，近日，公司可重复使用的130吨级液氧煤油发动机雷霆RS首次整机点火试验取得圆满成功。试验中，起动点火平稳、火焰状态良好、按程序顺利关机，各项参数与仿真和冷调一致、圆满达成预设的试验目的。本次试车实现了百吨级推力指标的突破，为深蓝航天接下来的星云系列大型液体运载火箭的研制与应用构筑了坚实的动力基础。

 雷霆RS发动机首次整机试车

雷霆RS发动机，采用燃气发生器循环、针栓式喷注器，推力（海平面）1240kN。
2024年1月，以可重复使用和低成本的理念，进行发动机方案论证，先后完成发动机系统及总装、部组件方案论证及设计等工作。2024年9月，完成燃气发生器热试，2024年底，发动机完成了半系统试车试验；2025年8月，发动机完成了出厂评审。

本次雷霆RS发动机首次试车，严格依据航天工程安全管理规范、国家航天局及山东省各级主管部门关于发动机试验专项检查要求等组织实施，试验前全面排查了发动机关键部件及试验全系统安全隐患，同步落实应急处置相关流程要求，全程管控有效，确保了试车各环节安全可控。

深蓝航天表示，本次试验是目前我国商业航天领域最大推力的液氧煤油发动机点火试验，标志着深蓝航天在大推力可复用液氧煤油发动机领域取得了具有里程碑意义的阶段性的关键成果，进一步助力于我国商业航天大推力、可重复使用发动机的技术发展。

 雷霆RS发动机的技术突破

发动机采用模块化设计和冗余控制，增强了核心部件在极端条件下的稳定性与可靠性，以确保发动机在多次使用过程中能够稳定运行。

1、推力与性能提升

雷霆RS发动机地面推力达1240kN（130吨），实现了百吨级推力的突破。

发动机推重比高于150，在相同重量条件下，能够产生更大推力，为火箭的升空及入轨提供更强劲的动力支持；发动机推力调节范围为50%~110%，可根据不同的载荷重量、轨道要求等任务需求，精准调节推力大小，确保火箭以最优弹道进入预定轨道；在回收阶段，可确保火箭以最优速度和角度下降，提高火箭回收的成功率。

2、工艺创新

雷霆RS发动机沿袭深蓝航天雷霆系列发动机制造技术优势，85%以上部件采用3D打印技术完成，在满足发动机高性能要求的同时，可以大幅减轻发动机重量并提升发动机的生产效率。如，发动机涡轮泵主要零件采用了3D打印成型技术，包括泵壳体、离心轮、诱导轮、涡轮壳体、涡轮静叶等；发动机氧主阀为低温角式菌阀，壳体采用高温合金3D打印一体成型制造，煤油主阀为直通式常闭菌阀，壳体采用钛合金3D打印一体成型制造，保证可靠性的同时减少了不必要零部件及配套产品。

3、材料创新

推力室作为发动机的核心部件，采用环带液膜+再生的冷却方式，内壁选用铜合金搭配高深宽比冷却槽道，在成本与周期方面优势显著，同时可以更好抵御高室压带来的高热流。

发动机针栓头首次采用高温合金材料，采用再生+自击冷却方式，工艺为3D打印后精加工，通过和中心筒机械连接形成液氧的喷注流道，与传统的铜合金相比，提高了发动机工作的稳定性和可靠性。

深蓝航天表示，本轮首次试车的圆满成功，初步验证了雷霆RS发动机系统的协调性及关键组件的功能，为后续研制工作奠定了基础。深蓝航天将基于本次试车的成果与经验，进一步优化发动机性能，提升其可靠性与稳定性，探索雷霆RS发动机在不同工况下的性能极限，为实现高效、安全、可重复使用的航天发射目标不断迈进。

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1月5日消息，据“中国航发”官微发文，中国航发自主研制的160公斤推力级增材制造涡喷发动机在株洲完成压气机性能考核试验。

这款发动机通过结构优化设计，成功实现了发动机重量的显著降低。这一成果有效验证了多学科拓扑优化设计方法在航空发动机领域的应用前景，为科研理论向工程应用的转化提供了强大支持。

根据3D科学谷的技术追踪与观察，中国航发在涡喷发动机的设计与工艺开发方面积累了多年的经验，以下援引航空动力上发表的《基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验》，以领略其中的创新精神与实力。

 项目总体思路和方案

本项目的预期目标是：与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数减少50%以上，发动机本体减轻质量不低于15%，推力提升不低于10%。整个项目分为三个阶段实施：发动机集成化设计阶段、发动机轻量化设计阶段，以及为提升发动机性能的创新型冷却构型设计研究，如图1所示。

图1 增材制造发动机研究总体思路

 发动机集成化设计研究

当前的微型涡喷发动机采用了大量螺栓连接和焊接等形式进行零件装配。如果采用增材制造技术直接制备传统结构零部件，则无法充分发挥增材制造技术的优势，甚至可能放大增材制造技术的局限性。为此，创新团队须结合增材制造技术的特点及局限性，打破传统工艺下发动机设计思维定式，在满足结构构型约束、性能约束、工艺约束、强度约束及刚度约束等多约束的基础上，开展发动机零件结构集成化设计研究，实现一体化打印，从而省去连接件和焊接件的使用，减少发动机零件个数，降低发动机装配难度，提高发动机寿命及可靠性；同时，省去部分零件安装边的设计，达到减轻零件质量的效果。因此，最终确定零件整合方案以减轻发动机质量、提高结构可靠性为目标。集成化设计研究思路如图2所示。

图2 集成化设计研究思路

 发动机轻量化设计研究

结合发动机零部件结构功能与承载性能约束，创新团队将面向增材制造工艺的拓扑优化技术应用至零件的轻量化设计中。利用变密度拓扑优化设计驱动材料分布，从而获得零件高效、轻量化的创新构型。在此基础上考虑增材制造工艺约束性，对拓扑优化构型进行重构，优化零件结构形式，实现拓扑构型的可制造性及工程适用性。针对拓扑空间较小的集成化静子件，则利用增材制造可实现高度复杂构型成形的特点，对集成化零件进行结构适应性改进，在确保结构刚度和强度的基础上，实现静子件的轻量化设计。轻量化设计研究方案如图3所示。

图3 轻量化设计研究方案

 空心叶轮盘冷却设计研究

根据拓扑优化设计后的转子件空腔结构特点，创新团队提出了一种新的气冷叶轮盘结构（如图4所示）。其基本原理是从离心叶轮背腔引冷气，通过空心涡轮轴，到达叶轮盘内部进行冷却，从而达到叶轮盘温度降低的效果，可以显著提升发动机性能。

图4 新型冷却构型设计研究方案

 项目实施情况

集成化设计方案

创新团队在详细剖析传统发动机零件结构、功能、材料及装配关系后，制订了多种零件集成化方案。针对集成化结构开展了性能评估、结构强度评估、转静子间隙评估及增材制造工艺可行性评估，突破了可提升结构可靠性的集成化设计技术，实现发动机本体零部件数量减少81%。发动机集成化前后结构对比示意图如图5所示。

图5 发动机集成化设计对比图

轻量化设计方案

创新团队采用面向增材制造工艺的拓扑优化技术完成了发动机主要零部件轻量化设计，包括转子件和静子件等，优化后零件结构如图6所示，最终实现整机减轻质量17.3%。，详细情况见表1

图6 集成化静子件轻量设计前后

表1 增材制造发动机结构优化前后质量减轻情况

整机试验

现阶段，创新团队已完成所有零部件的增材制造制备（如图7所示），串装增材制造静子件和传统工艺转子件的发动机已完成两次点火试验，发动机性能达标，状态稳定。

图7 试验后发动机分解图

为验证串装增材制造发动机的场外工作能力，创新团队将串装增材制造发动机装在航模飞机上，并对航模飞机进行改装，开发专门的数据传输系统，进行了飞行试验（如图8所示）。

图8 串装发动机装机航模并试飞

 创新点

本项目创新点主要体现在产品结构创新和生产工艺创新上，具体创新点如下。

一是建立了基于增材制造技术的发动机零件集成化设计技术。通过该集成化技术，研制了一型基于增材制造技术的高度集成化的小型涡喷发动机，零件集成率高达81%，降低发动机装配难度，提高发动机的可靠性和维修性。

二是建立了面向增材制造和拓扑优化技术的零件轻量化设计技术。通过本项目发展的轻量化设计技术，使创新结构空心离心叶轮、空心涡轮轴及空心涡轮盘等优化设计有了重大突破，并采用增材制造工艺实现了空心转子件的加工制备。

三是创新性地提出了一种基于增材制造工艺的气冷叶轮盘构型。通过本项目发展的气冷叶轮盘新构型是通过轮盘腔内引入冷气来冷却叶轮盘，初步估算可有效降低轮盘温度，从而提升发动机性能。

 结束语

创新团队以微型涡喷航空发动机为技术验证平台，探索增材制造技术在航空发动机设计和制造领域的应用研究，开展了基于增材制造技术的发动机结构集成化、轻量化及创新型冷却构型设计技术研究，实现了航空发动机集成化、轻量化及高可靠性设计，并初步完成串装增材制造发动机的整机试验验证。从本项目获得的集成化、轻量化设计技术对提升发动机设计和制造能力具有重要意义，可推广应用至高性能发动机的研制。

来源：航空动力 l

基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验

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铜 (Cu) 作为一种韧性金属，具有良好的耐腐蚀性、低化学反应性、非凡的机械加工性和成型性以及高导电。由于这些独特的特性，纯铜在生产用于电子、散热器、增压空气冷却器和热交换器等多种应用的设备以及电子封装、汽车和建筑行业等各种工业领域的设备方面受到了广泛关注。

本期谷.专栏，将分享铜用于电机方面的3D打印-增材制造进展。并对前两期《（一）电机的增材制造下一代电机》，《（二）磁体的增材制造下一代电机》进行全文总结。

3D打印电机
© 3D科学谷白皮书

 3D打印的优势与挑战

根据3D科学谷的市场了解，在电机中，导电材料用于以最小的焦耳热维持电机内的电流。这些损耗主要发生在电机电磁铁循环通电的定子绕组内。与焦耳损耗相关的主要本征材料特性是电导率或其倒数 – 材料电阻率。对用于电机导体制造的 AM 增材制造方法的兴趣是双重的：首先，AM增材制造有助于以具有成本效益的方式制造新型高性能绕组轮廓，其次，它能够将机电组件集成到多材料组件中。

由于最常用的电导体材料是铜，其他材料的电导率通常被量化为相对于退火铜的电导率。即1913年制定的国际退火铜标准（IACS），将100% IACS定义为纯铜的电导率：20°C时为5.8×107 S/m。其他常见纯导电金属的相对电导率达到106%银为 72%，金为 72%，铝为 62% IACS。还值得注意的是，由于制造方法的进步，现代合金可以实现比 IACS 标准略高的电导率：例如无氧高电导率铜合金达到 102% 的相对电导率。

驱动电机组成
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与磁性材料不同，根据3D科学谷的了解，目前市场上标准的激光熔化L-PBF金属3D打印系统并不最适合高导电材料的 AM-增材制造成型。这是由于铜和铝在典型的 L-PBF 激光红外波长（1000-1100 nm）下的高反射率，导致能量吸收低（低于铜能量吸收的 2%）和粉末的无效熔化。

I 挑战

纯铜和铜金属的增材制造应用存在的挑战包括以下几点：

• 由于铜及其合金的高电导率和热导率增加了从熔池到周围区域的热传递率，并产生高热梯度和不利后果。
• 对于激光增材制造来说，高激光反射率是另一个最重要的问题。
• 快速传热和高反射率都阻碍了激光功率的吸收，导致高孔隙率和较差的机械、热和电性能。此外，铜的延展性会对粉末去除和回收后产生负面影响 ，可能是因为在此阶段构建的铜片很容易变形。
• 铜对氧化的高敏感性使粉末处理变得复杂。

 铜的3D打印

根据3D科学谷的了解，目前主要有四种途径加工铜金属，一种是PBF金属3D打印技术类别中的EBM电子束熔化金属3D打印技术；一种是PBF金属3D打印技术类别中的L-PBF激光选区熔化金属3D打印；一种是BJ粘结剂喷射金属3D打印；第四种是FDM挤出式3D打印，不过根据3D科学谷的市场研究，当前FDM挤出式3D打印铜合金的电导率还不足以满足电机的应用。

3D打印铜
© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷的市场研究，针对铜对激光的反射特点，克服粉末床激光铜增材制造挑战的思路是调整激光波长。较大的波长会降低激光吸收率，而随着较短的激光波长而增加。波长约为 520 nm 的绿色和蓝色激光将激光吸收率提高到 40%

通过电子束熔化（Cu 吸收大约80% 的能量）或绿色和蓝色激光熔化（Cu吸收高于40%的能量），可以实现更有效的金属粉末熔化。值得注意的是，铜是出色的电导体通常也是出色的热导体，这会带来额外的3D打印挑战。在 PBF 金属粉末熔化3D打印工艺中，这会导致热能从熔池中快速传导出来，从而导致局部热梯度很高，可能导致分层、变形和零件故障。

3D打印的铜金属相对密度和电导率之间大致呈线性关系——范围从~50-60% IACS（相对密度~85%）到~96-102% IACS（接近全密度）。根据3D科学谷的了解，目前通过电子束EBM金属3D打印可获得高达102% IACS的电导率，通过绿色激光的选区金属熔化金属3D打印 L-PBF 技术可获得高达98.6%的电导率。

此外，使用高功率 2000W（1070 nm 激光）L-PBF 3D打印系统打印的 Cu-Cr合金表现出接近等效的 98% IACS 电导率。

如前所述，市场上大多数可用的 L-PBF 系统（通常为 400 W 及以下）都难以熔化纯铜。对于低功率 L-PBF 打印，使用涂层颗粒可以获得最佳效果——以提高对激光能量的吸收。根据3D科学谷的市场观察，通过材料来实现纯铜粉末床激光熔化增材制造的技术已进入到商业化阶段。例如，位于太仓的德怡科技（Infinite Flex ）提供可用于标准红外激光 LPBF 3D打印设备的纯铜粉末材料。

热处理工艺被认为是实现铜和铝合金完全导电性的关键。对于高纯度材料，除了热等静压 (HIP) 处理外，低密度纯铜样品的电导率通过炉内退火获得提高。根据3D科学谷的了解，对3D打印零件进行直接时效硬化 (DAH)，是提升铜LPBF增材制造可行性的方式。这种热处理的应用产生了细小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（从 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究团队，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 铜合金样件，并对样件进行固溶退火和时效处理，导致了细长晶粒扩大。这些热处理通常用于提高强度。固溶退火用于使合金元素固溶在铜基体中，而随后的时效处理旨在形成进一步强化的析出物。

图 AM 导电材料的加工：(a) AlSi10Mg 合金中退火影响的微观结构变化 [136]，(b) 通过 HIP 处理提高 BJ 粘结剂喷射金属3D打印材料密度，(c) EBM 电子束金属3D打印纯铜的密度优化（通过增加能量输入）。

© ScienceDirect

 电机绕组和热交换器的3D打印

AM增材制造铜部件在生产更有效的电机绕组和热交换器方面具有显着优势。

l 电机绕组

根据3D科学谷的市场观察，电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈，3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程，3D打印带来的时间节省尤其是在所谓的发夹式绕组上得到了回报。本期，3D科学谷通过对铜在3D打印电动汽车的电动机定子绕组的最新发展，与谷友共同来感知3D打印如何成就电动汽车电驱动关键组件。

电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制，例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆：首先，以相同的功率减少损耗，其次，改善散热。绕组的设计在这里起主要作用，因为它是主要的热源。

经典的圆线绕组有许多限制：铜导体，绕组工艺和槽口几何形状必须匹配。彼此缠绕的导体形成牢固的图案。此外，圆形导线（经典的导体形状）在几何形状上与梯形凹槽的配合不佳。结果是，每个凹槽都被铜填充了一半，从而形成了空隙。相对较小的导体横截面可确保较大的电热损耗。

让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。在这方面，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术。

3D打印电机绕组的技术逻辑
© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷的市场观察，3D打印在电机绕组方面的最新进展是福特与蒂森克虏伯系统工程，亚琛工业大学DAP学院（ACAM亚琛增材制造中心研发成员）一起，在一条生产线上开发灵活而可持续的电动机零部件生产。该项目的名称是HaPiPro2，指的是发夹技术。发夹绕组是电动机领域中的一项新技术，矩形铜棒代替了缠绕的铜线。该过程比传统的绕线电机更易于自动化，并且在汽车领域特别受欢迎，因为它可以大大缩短制造时间。

3D打印电机绕组
© ACAM亚琛增材制造中心

3D打印适用于快速的原型制造，能够将测量结果实时反馈到仿真中，从而确保了所需的操作性能并提高了质量保证。HaPiPro2项目正在研究如何进一步开发该方法，以便在单个生产线上高效生产不同型号的电动机。

HaPiPro2项目不仅旨在高效构建高效的电动机，而且还旨在开发生产中的各种灵活性。ACAM研发联合体成员亚琛工业大学把与面向应用程序研究有关的专业知识带到整个发夹的生产过程链。亚琛工业大学的任务还包括分析因果关系以及在生产计划中测试数字方法。

l  热交换器

AM增材制造铜热交换器包括主动和被动方法，通过集成冷却管、冷却夹套或拓扑优化的被动式热交换器。

材料性能效率通常通过特定的零部件设计来提高。铜的典型制造工艺，例如粉末冶金 (PM) 和传统工艺（例如锻造、机加工、挤压和铸造），可以生产简单的几何形状。但是难以生产复杂部件或翅片式热交换器和散热器，或者在制造时需要焊接等其他工艺来实现。

3D打印热交换器
© 3D科学谷白皮书

3D打印铜的热管理应用
© 3D科学谷白皮书

相对而言，增材制造工艺对于这种情况而言就更具优势。因为增材制造能够实现大量薄翅片或具有特定几何形状的复杂流道，这些几何形状增加了交换面积和湍流 。此外，增材制造的整体式热交换器和散热器将更好地抵抗液体压力和泄漏。这些可行性为制造性能紧凑型铜热交换设备创造了条件。

 3D打印电机的进展现状

根据3D科学谷，增材制造是开发复杂特征和形式的关键推动因素，这些特征和形式对于提高电动机的性能和功能至关重要。制造电动机的过程面临许多挑战，包括复杂或手动组装、难以加工且价格昂贵的材料、热管理以及使组件更轻的需求。通过产品重新设计,利用增材制造的能力，可以在成本、减少浪费、性能和易于制造方面实现主要优势。

根据3D科学谷的市场观察，3D打印在电机方面的最新进展是英国考文垂MTC国家制造技术中心的工程师正在开发他们声称可能是世界上第一个 3D 打印电动机，该团队开发了一种生产电动机的方法，该电动机的主要部件使用增材制造。

3D打印电动机

© MTC

这个3D打印电机的特点是尽管关键部件的尺寸和质量减少了，但电机功率却增加了，零件数量的减少使供应链更简单，提高了制造效率，降低了运行成本，并减少了组装和检查时间和成本。

当前3D打印在电机方面的现状如下：

• 当通过优化的方法进行加工时，3D打印的导电和导磁材料显示出与高级商业材料相当的直流材料特性。
• 对于导电材料，采用 EBM 电子束3D打印和绿色激光 L-PBF 方法加工的高纯度铜粉已获得与商业高导电铜相当的性能。
• 使用涂层粉末颗粒（例如，CuCr1Zr 或 CuSn0.3）可以获得低功率红外 L-PBF 选区激光熔化金属3D打印的最佳结果，以增强光学吸收，达到大约 80% IACS 电导率。
• 对于3D打印-增材制造加工的硅钢，L-PBF 选区激光熔化金属3D打印是文献中应用最广泛的方法，与商业无取向硅钢片相比，3D打印样品显示出相似的直流磁性能。
• 3D打印的导电元件和导磁元件都受到有限的多材料打印能力的影响。最突出的是，这会导致打印软磁通量引导中的涡流损耗增加，并在形成可靠的绕组匝间绝缘方面面临挑战。
• 3D打印硬磁材料仍处于早期研究阶段。仍需要进一步优化工艺。
• 电磁元件的原型制作或小批量生产方面目前成熟度最高的3D打印技术是PBF基于粉末床的金属熔化3D打印技术，可以制备高空间精度、高纯度、接近全致密的零件。
• 当前的 PBF 3D打印系统在小批量生产或优化电机绕组、热交换器和同步转子的方面显示出商业前景。

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基于轻型发动机LeiMot研究项目，FEV公司与其合作伙伴共同开发了全新的研究方法，采用了通过增材制造(AM)技术生产的大型发动机部件，同时扩大了塑料应用范围，减轻整机质量，并优化了其功能。

 1、前言

通过采用最新的传统制造工艺，研究人员对以全铝设计的现代乘用车汽油机和柴油机的成本和质量进行了优化。近年来，这些发动机的质量功率比有了进一步优化。3缸和4缸发动机的质量功率比约为1.1 kg/kW。这一特征代表了材料特性、负荷曲线和结构利用率在既定制造边界条件下的平衡。这表明传统制造工艺无法进一步减轻整机质量。在材料及负荷曲线相似或相同的情况下，研究人员将传统制造工艺替换为激光粉床熔化(LPBF)技术，从而可进一步减轻整机质量。

在由德国联邦经济与能源部(BMWi)支持的轻型发动机LeiMot研究项目中，FEV 公司将LPBF工艺用于气缸盖和曲轴箱的开发进程中。研究人员选择大众公司EA288evo系列2.0 L涡轮增压直喷(TDI)柴油机作为基础发动机，并进行了一系列优化，使开发出的新组件符合替代理念。针对该项目中采用增材制造(AM)技术的铝部件的特点，研究人员选用了该工艺过程中最常用的AlSi10Mg材料。增材制造技术具有更高的自由度，不仅可以减少整机质量，还可用于改善发动机功能。

在开发LeiMot研究项目时，气缸盖和曲轴箱的设计从概念到制造过程(包括校准和后处理)始终遵循增材制造技术的边界条件。
此外，热固性注塑成型工艺的应用也是开发目标之一。为了合理使用该工艺，研究人员需要开发1种合适的曲轴箱概念。可用的材料为基于玻璃纤维增强酚醛树脂而开发的纤维增强复合塑料(FRP)。

 2、组件概念

研究人员首先对气缸盖和曲轴箱进行了功能分解。通过该方式，研究人员可以分析每个功能，并可以根据给定的边界条件进行设计优化。此外，研究人员需要确保LeiMot气缸盖能与大众曲轴箱实现相互兼容。同时，研究人员必须保留参考发动机的重要接口和组件，尤其是曲柄连杆机构、配气机构及换气组件。

研究人员通过专门的设计方法，使厚度不大于2 mm的材料实现了冷却、润滑及换气等功能，晶格结构的厚度明显小于2 mm。与传统的铸造工艺相比，该方法可以根据负荷的不同而采用多种壁厚参数，且不会存在与传统制造相关的结构弱点。

 3、气缸盖

研究人员将开发重点首先放在气缸盖总体结构上，以便有针对性地对高机械应力区域进行设计。燃烧过程会导致弯曲应力的出现，并使发动机总成承受扭转应力。因此气缸盖结合了采用双T形梁(IPB)的闭口剪切盒(图1)。该款最新设计的气缸盖质量约为8.5 kg，比参考气缸盖轻约22%。
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图1 LeiMot气缸盖结构设计方案

 4、曲轴箱与底板

在隔板之间，研究人员为曲轴箱设计了水平支承结构。如果没有采用局部加固的功能组件(例如水通道或油道等)，则可通过十字肋加固开放式结构。此外,研究人员通过采用2条连接管，加固了平衡轴区域的隔板(图2)。

图2 LeiMot曲轴箱

出于对质量和刚度等方面的考虑，研究人员将参考发动机的深裙式结构设计方案调整为配备有铝制底板的短裙式结构设计方案。由于采用了铝制底板，发动机省去了重型钢制主轴承盖，同时曲轴箱下半部得到了加固。与带有钢制主轴承盖的同类曲轴箱相比，该设计方案可使整机质量减轻约2 kg。

研究人员通过采用拓扑方法，对组件的主要流动路径进行了优化分析，并为隔板外部等低应力区域设计出了空腔和晶格结构(图2)。上述分析为受热负荷和机械负荷影响下的组件边界优化过程提供了基础，研究人员后续将在项目中开展深入研究。

研究人员通过对气缸盖和曲轴箱底板的设计方案进行计算验证，得出了相应的评估结果，该款标准符合系列产品的开发要求。

对于接近极限的轻型设计方案而言，研究人员在设计过程中对材料特性进行了深入了解。由于该款材料有着特殊的微观结构，通过AM技术生产的部件的机械性能与通过传统铸造工艺制成的部件的机械性能之间，存在着显著差异。因此，研究人员通过样本研究了AM技术所采用的材料在不同温度条件下的多项机械性能，并将结果用于计算过程中。

在机械应用中，采用晶格结构(图2)会大幅增加有限元(FE)模型的复杂性，从而延长了计算时间。因此，在整体模型的计算过程中，研究人员通过简化的替代元素表示晶格结构，这些替代元素具有与所用晶格结构相同的机械性能。

 5、冷却

LeiMot研究项目采用了横流冷却的概念，其目的是有针对性地对各个气缸进行冷却，同时减少冷却液的流量。由于发动机在冷起动期间的热惯性较低，所以加热时间较短。气缸盖的各条管道采用了规定的直径(要道冷却)，可使冷却液绕气门座圈和喷油器轴进行流动(图3)。冷却系统所引入的热量会在高温点处被直接吸收，并以较高流速进行传输。与具有更大容量的水套相比，这些管道的优点是增加了燃烧室板的刚度。为了在采用较少冷却液的情况下对排气道区域进行充分冷却，研究人员在排气道周围布置了厚度为5 mm的水套(图3)。此外，这种设计还能对热负荷较高的排气侧气门导管进行充分冷却。与热力有限元分析进行对比可知，采用相同的水泵，气缸盖燃烧室板的温度最多可降低40 ℃(图4)。这意味着该设计方案可以降低水泵的驱动功率，同时还可以缩短暖机时间。即使流经气缸盖和曲轴箱的冷却液总流量减少了40%，其最大壁温仍远低于采用传统水套的参考发动机的壁温。

图3 LeiMot水套

图4 燃烧室板的温度分布(a)与气缸盖水套内部的流速(b)在额定工况下的流量并未减少

为进一步改善曲轴箱的冷却性能并使气缸温度实现均匀分布，研究人员在缸套间采用了宽2 mm，高3 mm的椭圆形冷却通道，以此对内孔进行冷却。此外，水套内部为经过充分优化的晶格结构(图3)。该结构扩大了传热面积，改善了冷却液流动过程，并提高了气缸刚度。改善后的缸套冷却系统可使缸套变形更为均匀，并能相应改善摩擦和漏气现象。

 6、机油循环

研究人员采用机油循环概念的主要目标是减少压力损失，以便使发动机在正常运行和冷起动期间，具有更强的性能优势。通过采用AM技术，研究人员设计出了无明显偏转现象的新型油道方案(图5)。气缸盖和曲轴箱中的油道(直径范围为3~8 mm)可实现直接打印。弯曲的通道和平缓变化的横截面会使气缸盖和曲轴箱内部管道系统的压力损失降低约22%。

图5 基础发动机的润滑系统

研究人员通过采用反向虹吸管，以防止主油道在非工作时间排放机油，从而改善了冷起动期间的配气机构组件的供油效果(图5)。

最初的拓扑研究表明，带有空心隔板的曲轴箱具有足够高的刚度。随后，研究人员对设计方案进行了调整，将曲轴箱的中空部分设计为回油通道。

 7、排气道隔热

AM技术的设计自由度有利于研究人员直接将各种结构集成到生产过程中。研究人员有针对性地对具有气隙和较少导热横截面的绝缘晶格元件进行了设计，从而优化了排气道的隔热效果(图6)，并可减少进入气缸盖冷却液的排气热量。在额定功率条件下，该隔热系统可使流入气缸盖的热流量减少5%。这可以缩短排气后处理系统的预热时间，并提高涡轮入口温度。

图6 排气道隔热系统

通过有限元分析，研究人员对排气道主要结构的分布情况进行了优化，目的是在材料边界范围内使排气道壁温实现最大化，同时使壁温分布更均匀。最高壁温会达到约200 ℃，仍远低于材料极限温度。

 8、曲轴箱盖

德国Fraunhofer化学技术研究所的研究人员选用了铝塑混合设计方案，并对由高性能纤维增强复合材料制成的曲轴箱进气侧和排气侧的侧壁进行了优化。大量塑料组件是由玻璃纤维增强的酚醛树脂模制化合物注塑而成。研究人员选择了热固性塑料作为材料，这是由于其密度较低，对油和乙二醇具有较好的耐腐蚀性，同时具有良好的机械性能，并能承受较高的工作温度，几乎没有发生蠕变的趋势。

热固性侧壁结构的设计重点是需要采用功能高度集成的轻质结构设计方案。冷却液通道、机械驱动的水泵、机油滤清器、机油冷却器，以及冷却液的分配模块等均集成在该结构中。

研究人员为1款曲轴箱的侧壁选用了玻璃纤维增强酚醛树脂材料，使其质量比采用传统铝侧壁的曲轴箱要轻15%，同时研究人员选用了硅基粘合剂来密封冷端。与其他粘合剂相比，该粘合剂具有更高的断裂延伸率，可以补偿热固性塑料与铝的不同热膨胀特性。通过采用自成型螺栓，研究人员直接将冷端的侧壁固定在曲轴箱上。

为了改善噪声-振动-平顺性(NVH)，研究人员采用了振动解耦元件，并将热端(排气侧)的侧壁安装到曲轴箱上。这些解耦元件可通过螺栓固定在铝材料上，并通过弹性体将热固性侧壁压紧在曲轴箱上。研究人员采用弹性密封件对热端与曲轴箱进行了密封。热端和冷端采用了不同的连接技术，研究人员由此可以在LeiMot原型机的基础上比较这2种连接技术。

 9、声学

在发动机运行时，局部较弱的结构元件具有较高的振动幅度，这对轻型发动机项目是1项重要挑战。针对动态结构的计算表明，研究人员需要加强曲轴箱的扭转运动和剪切运动。因此，从最初的发动机概念开始，研究人员就持续对其NVH特性进行了评估，并将其结果用于设计和耐久性计算中。

LeiMot曲轴箱增加了针对气门罩和油底壳的辐射现象，而发动机的主要声辐射常出现在上述部件中。应注意的是，新型曲轴箱侧盖不会增加空气传播的噪声辐射。研究表明，分离后的侧盖与牢固连接的侧盖之间的差异可忽略不计，并且不会产生明显的共振现象。气门罩和油底壳的辐射仍占据主导地位。

研究人员通过优化，使曲轴箱质量减少超过21%，并与空气A加权噪声声压级增加的2.3 dB形成了对比。减少的质量是主要激励来源之一。通过隔板之间的加强肋和平衡轴周围的管状结构，研究人员可以对附加剪切模式进行调整，从而使固有频率维持在1 100 Hz左右。

 结语

研究人员通过采用LPBF等新制造工艺，可进一步减轻柴油机质量。与现有的大众EA288 evo系列2.0 L柴油机相比，LeiMot研究项目可使气缸盖和曲轴箱的质量减轻约21%。

除了减轻质量之外，参与LeiMot项目的研究人员还通过采用以下措施来提高整机效率：(1)减少水泵和机油泵所消耗的功率；(2)改善活塞-缸套组件的摩擦；(3)通过排气道隔热降低冷起动时的排放；(4)通过排气道隔热提高涡轮增压器的涡轮功率。

2021年，FEV公司将制造出5个LeiMot产品原型，并通过机械和热力学试验对其进行检验。LeiMot研究项目有力证明了新制造工艺的设计可行性。此外，该项目还有助于研究人员探索用于内燃机开发的新方法。

在中短期内，大批量通过AM技术生产的组件(例如LeiMot研究项目所开发的组件)依然很难与大众市场的传统制造工艺进行竞争。在飞机部件制造等小批量生产过程中，AM技术已成功应用于小型部件中。AM技术也可以为传统制造工艺带来好处，例如可将用于砂芯的花丝结构集成到传统铸造工艺中。
未来，研究人员还可以采用混合解决方案，将AM技术与传统制造工艺结合在一起，从而进一步提升制造品质。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第6期
作者：[德]B.LINDEMANN等

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随着3D打印技术的发展，3D打印从打印电动机外壳，到定子绕组，到电动机，在获得不断的突破。3D科学谷曾在《福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件》一文中分享过由福特、蒂森克虏伯、亚琛工业大学（ACAM亚琛增材制造中心研发联合体成员）组成的工业联盟的一项研究项目，以开发下一代电动汽车的灵活、可持续的生产工艺。本期，3D科学谷将分享Fraunhofer IFAM将金属3D 丝网打印工艺应用到新电力驱动，以及Höganäs 加入的Connactive平台所研究的新 eDrive 概念。

壳牌在其阿姆斯特丹技术中心的粉末床熔化3D打印零件
© 壳牌

新电机的新制造工艺

 更高效的电气驱动器电气板

通过3D丝网打印制造的定子叠片

© Fraunhofer IFAM 德累斯顿

位于德国德累斯顿的Fraunhofer IFAM弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所启动了一个高效生产用于电力驱动的电气板的项目。

在西门子的协调下，“EffiBlech”项目通过Fraunhofer与Friedrich Alexander大学制造自动化和生产系统学院以及 EKRA Automatisierungs GmbH、MUT Advanced Heating GmbH 和 Optonic GmbH 公司的合作伙伴共同实施，以开发具有生产和测试方法的完整工艺链，最终结果将是实现更高效的电气驱动器电气板。

Fraunhofer IFAM 在“EffiBlech”项目中的主要任务是选择合适的低成本粉末、开发浆料以及优化单层的打印工艺。

根据3D科学谷的了解，该项目的动机是通过减少能量转换过程中电力驱动器中出现的不需要的涡流，从而提高电机效率。涡流是导致机器发热的损耗，必须将其消散。通过减少板材的厚度，可以显着减少这些损失。

这种电工片通常采用复杂的多阶段成型和热处理工艺生产，然后加工成转子或定子叠片。由于轧制和冲压工艺步骤，要加工的最小厚度受到限制，标准在 0.2 至 0.65 毫米之间。这意味着无法进一步降低涡流损耗。此外，在形成电工钢板的叠片时，会出现高达 50% 的材料边角料。

在“EffiBlech”项目中，解决了薄板生产所有子过程中的挑战。这包括从糊料生产和丝网印刷到热处理。纸叠中的处理和绝缘也得到优化，并开发了一个检查系统，以确保近系列原型生产的高质量。在优化所有工艺步骤后，电气板最终安装在电机中并进行测试。

可以通过结果实现的潜在节省的一个具体例子是异步电机中的软磁组件。在这里，磁芯损耗可降低 10%，生产中的材料成本可降低 20%。各种措施，例如使丝网打印过程完全自动化和增加可用的丝网面积，提高了整个过程的生产率。因此，异步电机生产中的二氧化碳排放量可减少约 20%，在片材包装中可减少约 40%。

 基于金属粉末的新 eDrive 概念

根据3D科学谷的了解，Höganäs 已加入 Connactive 项目，以开发基于使用金属粉末的新电力驱动概念。Connactive 项目成立于 2019 年，该项目致力于实现高速、高频和功率密度的 eDrive 解决方案。这种跨公司合作将利用每个成员的不同专业领域，其结果将推动现代电动发动机的发展。

© Connactive

Höganäs 的金属粉末用于 Connactive 的第一个项目：双驱动系统、动力分流行星齿轮组和匹配的 RX II 单元，结合高扭矩 AX 电机和高度集成的电子设备。通过合作伙伴公司 Dontyne Gears、Moteg 和 Vishay 的合作能力，双驱动系统在六个月内从蓝图变为批量生产标准原型。

目前，根据3D科学谷的了解，该项目的解决性成果预计这将把电驱动带到一个新的水平，并以最低的总成本加速市场引入。

根据Connactive 项目，团队在短短几个月后展示的第一个结果确实令人惊讶：通过原型 eDrive，他们成功地最大限度地减少了安装空间，同时几乎将性能提高了一倍。在传统 20 kW 电动机通常需要的空间中，现在可以容纳提供 50 kW 令人印象深刻的整体性能的驱动器。

在这里，输出功率为 35 kW 的径向磁通电机与提供额外 15 kW 功率的附加轴向磁通电机相结合。两者都在高频下工作，但功率损耗最小。

径向和轴向磁通电机的组合创建了一个整体系统，高扭矩轴向磁通电机和高速径向磁通电机可确保整个范围内的动态驾驶性能。此外，在较低速度下，轴向磁通电机还可用作空调循环等系统的辅助驱动。更重要的是：如果一个电机出现故障，另一个将保证紧急备用操作。

该系统的紧凑结构和最小的能量损失是唯一可能的，因为它使用了一种特殊的原材料：它们不是用金属板冲压出不同系统组件的零件，而是由软磁复合材料 (SMC) 制造的。这意味着不会浪费任何原材料，因此可以更可持续地使用。

新设计还提供了更大的几何设计自由度，因为没有传统冲床的二维限制，三维设计没有问题。结果是显着更高的可集成性，但设计相对简单。

紧凑的设计不仅可以集成两个驱动器，还可以容纳系统内 eDrive 的其他组件。除了节省宝贵的空间外，这还开辟了新的技术可能性。整个电力电子设备——包括控制单元——都是系统的一部分。例如，这使得可以直接在电机本身中测量电机电压和相电流。

 多头并进的新电机研发趋势

从世界范围来看，根据3D科学谷的市场观察，推动3D打印用于新电力驱动的前沿研究正在形成多个发展趋势：一种趋势是福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件，其聚焦点是铜金属；一种趋势是Fraunhofer IFAM或者是exone通过更为经济的打印方式所实现的新型电动机零件，其聚焦点是丝网打印或binder jetting粘结剂喷射3D打印；一种趋势是英国制造技术中心MTC所致力的完全3D打印的电机，其聚焦点是产品重新设计；最后一种趋势是Connactive 项目或者保时捷与GKN所合作的项目，其聚焦点是新材料与新设计的结合。

© 3D科学谷：上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》

当今的汽车制造商面临着提高电动汽车效率的不断增长的需求。制造商已经从各个角度解决这个问题：减轻重量、创建更高效的动力传动系统、降低噪音。不过这个过程是不断迭代且永无止境的。关于3D打印在电机领域的应用，3D科学谷将保持持续的市场关注，更多内容请参考3D科学谷发布的上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》。

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 “星云-M”1号试验火箭首站告捷

根据深蓝航天，这次试验飞行创造了中国民营航天的多个第一：

• 圆满完成由泵压式发动机作为主动力的液体火箭垂直起降；
• 实现了液氧煤油发动机和火箭全系统的协调工作与实际飞行；
• 由3D打印制造的火箭发动机完成真实飞行工况的考核；
• 单台发动机试车、飞行重复使用累积超过10次，初步验证发动机工程化可重复使用的能力。

此次“星云-M”液体回收1号试验箭垂直回收飞行试验，实际飞行弹道最高点的相对高度近10米。火箭在起飞后按照预定轨迹飞行、爬升至预先设定的最高点后平稳下降，按预定姿态和速度约束飞行至预定着陆点，发动机按照高度和速度判据正常执行关机，箭体触地时刻纵向速度、俯仰/偏航姿态偏差满足预定要求，经着陆缓冲机构缓冲后，火箭实现平稳“软着陆”。

© 深蓝航天

火箭上安装的单台“雷霆-5”发动机，按照预设控制程序精准完成了上升段与下降段的实时推力调节，飞行过程中实际推力调节范围为60%~100%。飞行全程箭体姿态稳定受控、着陆平稳；着陆后经全箭综合测试，各项技术指标正常，火箭及发动机状态良好，满足再次复飞的指标要求。

本次试验所用的“星云-M”1号试验箭，经历了三次地面静态点火测试，总计时间超过了130秒 ；所配套的“雷霆-5”型发动机，本次飞行前先后参加多次地面点火试车、全箭静态点火测试，同一台发动机的累计工作次数超过10次 、累计工作时间超过500s ，基本均为大范围变工况工作状态。

通过系列点火测试和飞行试验，有力地证明了火箭和发动机产品初步达到了可重复使用的预期设计目标，为工程化可重复使用的火箭和发动机产品积累了宝贵的研制经验和实际使用数据。

本次试验标志着深蓝航天“回收复用”火箭技术取得重大突破：成为国内第一家成功使用泵压式发动机完成液体火箭垂直回收飞行试验的公司，标志着中国液体火箭重复使用技术探索迈出了重要一步。

 关键技术突破

深蓝航天在火箭垂直回收复用领域的多项关键技术，也在本次飞行试验中得到了充分验证，为继续开展更大规模的回收复用试验奠定了坚实的技术基础：

一：飞行过程中泵压发动机的大范围推力调节

发动机的大范围推力调节是液体火箭垂直回收的基础，在火箭垂直回收着陆的过程中，需要通过发动机的大范围推力调节来保证全箭下降和着陆过程中的过载要求，并将最终落地速度能控制在预设的范围之内。

对于泵压式发动机，实现大范围推力调节往往需要多个调节元件来实现，调节控制规律复杂，同时喷注器、涡轮泵等多个关键组件也需具备在不同的推力调节工况下可靠工作的能力。

© 深蓝航天

“星云-M”液体回收试验箭使用的“雷霆-5”发动机为国内首型针栓式电动泵液氧煤油发动机，使用3D打印技术完成制造，真空推力50kN，通过电动泵可实现50%-110%推力调节，通过针栓式喷注器实现发动机不同工况的稳定工作。

© 深蓝航天

本次飞行试验精确完成了多次发动机推力大范围调节，实现了对箭体上升和下降的控制，发动机全程工作正常，“雷霆-5”的推力大范围调节能力在经过多次地面静态点火的考核后，得到了实际飞行的验证。

二：垂直回收控制制导技术

垂直起降火箭相较于传统一次性使用的运载器，在飞行过程中，箭上控制制导不仅要维持上升段的姿态稳定，还要能够对下降段的速度和位置进行控制，以实现其着陆于指定地点的目标，这对控制制导算法和控制方式的结合提出了更高的要求。

© 深蓝航天

此次飞行试验中，针对电动泵发动机的响应特性，设计了有别于传统的迭代控制制导算法并首次应用：基于“惯性+RTK”的组合导航信息，由箭上飞控计算机实时驱动泵电机、双摆伺服和RCS 冷气姿控系统相结合，实现了预期的平稳飞行及着陆，垂直回收控制制导技术得到了充分的实践检验。

三：着陆缓冲机构对箭体的缓冲保护

火箭回收过程中需要高可靠的着陆缓冲机构减缓着陆瞬间的冲击过载，使箭体平稳着陆。着陆缓冲机构要有较好的强度和缓冲功能以及对倾斜姿态、残余速度的适应能力，从而保证着陆姿态的稳定性，同时由于着陆支腿靠近发动机，还要具备承受发动机喷流反冲的热防护能力。本次“星云-M”着陆过程箭体姿态稳定，全箭结构完好，着陆支腿顺利实现了着陆缓冲保护的设计目的。

深蓝航天在对本次试验的数据进行完善分析的同时，“星云-M”火箭2号试验样机正在公司位于江苏南通的总装厂房内，快速进行总装和测试工作。同时，公司还将在2021年内陆续实施百米级低空飞行和高空垂直起降回收飞行试验。

同时，深蓝航天主打产品 “星云-1”入轨火箭已在去年完成一子级箭体结构样机生产和强度测试，轨道级发射及垂直回收试验也将按计划逐步实施。

“星云-1”入轨火箭一子级结构于2020年通过联合静力试验和低温爆破试验考核

© 深蓝航天

2019年7月，同样是在经历数次地面静态点火之后，被SpaceX公司称为Starhopper星舰原型机完成了首次的垂直起降，向上飞起约20米后平稳落回了地面，整个飞行过程持续约10秒钟。美国权威媒体报道称，“虽然以高度来说这只是小小的一步，但却是SpaceX新一代回收火箭和引擎首次不连接地面设备的的自由飞行，有着划时代的意义”。

星辰大海是征途，坎坷艰辛唯不悔。深蓝航天表示，本次垂直回收飞行试验仅仅是深蓝航天在“回收复用”领域探索征程的阶段性胜利，深蓝航天将勇于创新、无畏前行，为中国航天彻底掌握应用火箭回收复用技术奋斗。

关于3D打印与航天产业更深入的洞悉，请参考3D科学谷发布的《3D打印与航天研发与制造业白皮书（第二版）》。

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据报道，俄罗斯土星公司采用立方氮化硼砂轮在发动机批量生产中引入了深度磨削技术。这项技术创新提高了俄罗斯民用航空发动机涡轮叶片的竞争力，并计划在母公司联合发动机公司UEC制造的整个发动机产品范围内推广。

TV7-117ST-01 发动机进气导叶叶片

新技术工艺设计用于加工由耐热材料制成的燃气涡轮发动机零件的复杂形状截面，包括涡轮静叶、涡轮动叶、扇形密封件、插入件等。

土星公司总工程师伊戈尔·伊林（Igor Ilyin）表示：“我们使用基于立方氮化硼的刀具进行深磨的技术是一种很有前途的涡轮叶片加工技术。传统的高温镍基材料磨削、涡轮叶片窄槽的铣削或车削是一项费力、耗时且成本高的工艺。用新技术取代它，为其应用提供了广阔的前景，并降低了制造零件的成本。在所有商用航空发动机项目中，零件成本决定了项目的成功。”

在开发和掌握新技术时，土星公司的专家解决了非平凡的工程问题，优化了刀具的几何形状和加工模式，同时考虑了技术系统的真实特性：设备、模具、材料和零件的柔韧性。

使用立方氮化硼的磨削技术——窄径槽——可将加工生产率提高20~30%，并将刀具成本降低高达 3.5 倍。因此，仅在一项新技术的应用对象——民用航空发动机第二级喷嘴叶片——每套就实现了超过50万卢布的经济效益。

3D 打印的TV7-117ST-01 发动机叶片

土星公司继续积极开发先进的金属加工技术，该企业在压气机叶片和涡轮叶片机械加工方面的设备是俄罗斯联合航空发动机公司内最先进的，随着新铸造厂的建设和发展，土星公司将进一步发展其加工能力——表面处理、涂层和激光腐蚀加工的特殊工艺。所有这些使得土星公司的叶片生产能够满足俄罗斯国内甚至国际合作的需求。

在联合发动机公司的科技发展战略框架内，土星公司不仅在基础生产技术方面具有显著的能力，而且在生产技术方面具有显着优势。这适用于增材制造、聚合物复合材料和陶瓷复合材料制造零件的技术以及智能工厂项目的实施。

UEC公司的技术发展方向展台

土星公司还表示，已经完成了由自己设计的金属粉末成分合成材料的一般资格（认证）的大规模工作：包括钴基耐热合金、基于激光合成技术的不锈钢和用于电子束聚变技术的钛合金，这些是俄罗斯唯一被列入推荐用于飞机产品的材料限制清单的合成材料。这些成果有力地推动了3D打印技术的引入，从而帮助生产更具高技术竞争力的产品，大幅减少土星公司乃至整个联合发动机公司新产品的开发时间、成本和市场准入。

文章来源： 两机动力控制

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3D打印已经开辟了一系列全新的可能性。一个例子是生产新型涡轮机斗。然而，3D打印过程通常会在部件中产生内部应力，在最坏的情况下会导致裂缝。现在，一个研究小组已经成功地利用慕尼黑工业大学（TUM）研究用中子源反应堆的中子，对这种内部应力进行非破坏性检测，是改进生产工艺的一项关键成就。

燃气轮机斗必须承受极端条件。它们在高压和高温下暴露在巨大的离心力下。为了进一步最大限度地提高能源产量，必须能承受实际上高于材料熔点的温度。这可以通过使用空心涡轮斗来实现，它从内部进行空气冷却。

这些涡轮水桶可以使用激光粉末床融合技术制造，这是一种增材制造技术：在这里，粉末形式的启动材料通过激光的选择性熔化而一层一层地建立起来。空心涡轮机斗内部复杂的格子结构为零件提供了必要的稳定性。

具有如此复杂结构的复杂部件不可能用传统的制造方法，如铸造或铣削来制造。但是激光的高度局部热输入和熔池的快速冷却导致了材料的残余应力。制造商通常会在下游的热处理步骤中消除这种应力，但这需要时间，因此要花钱。不幸的是，这些应力也可能早在生产过程中，直到后处理发生时，就会损坏部件。应力会导致变形，在最坏的情况下会导致裂缝。

因此，研究人员利用海因茨-迈尔-莱布尼茨研究中子源（FRM II）的中子调查了一个燃气轮机部件的内应力。该部件是由燃气轮机制造商西门子能源公司使用添加剂生产工艺制造的。为了在FRM II进行中子实验，西门子能源公司使用典型的用于燃气轮机部件的镍铬合金打印了一个尺寸只有几毫米的晶格结构，然后看看是否可以使用中子来检测这个复杂部件的内部应力。

现在，该团队已经成功地检测到了部件内部的应力，下一步是减少这种破坏性的应力，即必须修改生产工艺参数，从而修改打印过程中构建方式。这里的关键因素是在建立各层时随着时间推移而输入的热量。在熔化过程中，热量的应用越局部，就会产生越多的内部应力。只要打印机的激光器对准一个特定的点，该点的热量就会相对于相邻区域上升。这就造成了温度梯度，导致了原子晶格的不规则。所以必须在打印过程中尽可能均匀地分配热量。在未来，该小组将用新的组件和修改的打印参数来研究这种情况。该小组已经在与西门子合作，计划利用位于Garching的TUM中子源进行新的测量。

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然而，市场上经常会有一个普遍的疑问，3D打印在航空航天，医疗领域的产业化应用场景已经在发生，但似乎3D打印在汽车领域还普遍局限在原型试制领域。

本期，3D科学谷将与谷友通过保时捷正在开发和将要进行的3D打印量产应用来一起领略3D打印在汽车行业的渐进式。

全新起点

 可调整的点阵，可定制的舒适度-座椅

座椅是人与车辆之间交互的窗口，对于高性能车辆而言，座椅的运动操控性、舒适性尤其重要。为驾驶员提供定制的座椅，在很长时间以来是赛车的标准配置。

保时捷正在将赛车定制级座椅带来的舒适体验融入保时捷跑车中，而3D打印技术为保时捷实现座椅的舒适性能和定制生产，提供了技术上的可行性。

©Porsche

保时捷通过“3D打印人体形态座椅”的研发，提出了一种创新的替代传统座椅材料的方案。这一创新型人体形态座椅采用“三明治”结构，包括由发泡聚丙烯（EPP）制成的基础支撑结构，由聚氨酯3D打印的点阵结构，以及外层的Racetex覆盖物，这一层具有用于气候控制的特殊穿孔图案。处于中间的3D打印点阵结构，是座椅的舒适层，这层材料由基于光聚合工艺的3D打印技术制造而成。

©Porsche

保时捷通过调整3D打印点阵舒适层的设计，为客户提供座椅的定制服务。将来，保时捷的客户可在硬、中、软三个硬度级别中进行选择。除了汽车运动中的人体工程学设计之外，这款座椅具有独特的设计、更轻的重量，更高的舒适度和被动气候控制。

©Porsche

保时捷精装配件（Porsche Tequipment）将从2020年5月开始，为911和718系列提供3D打印人体形态座椅。初期可面向客户提供的数量为40个，座椅配有六点式安全带，在收集客户的反馈意见之后，将开始下一步的座椅开发。

©Porsche

预计2021年，保时捷定制服务将向客户提供具有三种不同硬度和颜色的3D打印座椅。如果有足够的客户对此座椅感兴趣，保时捷还将提供完全个性化的解决方案，包括提供更丰富的颜色选择以及开发个性化的座椅轮廓。

 内部冷却管道设计-活塞

保时捷揭示了其高应力驱动部件里程碑式的增材制造应用-通过粉末床选区激光熔化3D打印技术为911 GT2 RS双涡轮增压发动机生产的活塞。在这一应用中，通过面向增材制造的设计实现轻量化不是唯一的目的，保时捷还通过优化活塞的设计使发动机获得更强动力与更高效率。

©Porsche

保时捷3D打印的 911 GT2 RS发动机活塞，比原来的活塞轻了10％，使发动机转速提高了300rpm，并增加了近30bhp的功率。

高性能发动机中的活塞会因载荷和热量而承受巨大的压力，通常由铝合金铸造或锻造而成。保时捷与马勒（Mahle）和金属3D打印设备制造商通快（Trumpf ）合作开发了发动机活塞的增材制造工艺，打印材料为一种铝合金粉末，分为1200层完成活塞的增材制造。

©Porsche

根据3D科学谷的市场观察，这一应用案例中最具价值的设计思路是开发团队在活塞中采用了功能集成的设计，这也是传统铸造技术无法实现，而专门根据增材制造技术的特点而采取的优化设计。3D打印活塞开发团队引入了内部冷却管道的设计，流经管道的冷却油有助于在将活塞密封至气缸的活塞环后的关键区域，并将活塞温度降低20摄氏度。活塞中集成的微小3D打印喷油嘴为管道供油。这种复杂的喷油嘴也是无法使用传统技术制造的。开发团队通过软件实现的“仿生”设计来增强强度，活塞的横截面看起来与生物肌肉、筋骨等自然界形成的结构非常相似。

©Porsche

根据当前项目的需要，3D打印活塞开发团队可以在12小时内制造5个活塞，预计使用更高效的3D打印设备可将数量增加到15个。目前已有六个活塞在911 GT2 RS发动机中进行了测试，运行了200小时。

3D打印活塞的开发还需要更多技术来确保质量一致性，但保时捷表示该技术可在未来五年内用于批量生产的汽车发动机。根据3D科学谷的市场观察，保时捷正在通过增材制造技术尝试更多的动力总成零部件设计优化的可能性，例如开发涡轮增压器的3D打印中间冷却器，以改善冷却流量和表面积，该组件还可以在带有集成式油冷却器的电动轴驱动器上工作。

 轻量化集成冷却流道-保时捷电动发动机罩

保时捷通过创新的AM-增材制造设计理念完成了一款概念款的电动发动机罩开发，并通过SLMSolutions的最新设备NXGXII 600实现了整体打印。针对这个零件，保时捷制定了严苛的要求：需要承载800伏特的永磁电机并稳定输出高达205千瓦（280马力）的工作电压。同时，下游的两级变速器需要集成到同一个发动机罩下，并为驱动车轮提供高达2100牛米的扭矩。整个电动发动机外壳采用高度集成的方式设计，最终将应用于一款跑车的前轴上。

©Porsche

3D打印-增材制造的所有优点都在这个发动机罩上得到了体现，点阵结构拓扑优化实现了减重，冷却流道也实现了功能集成，同时还省去了零部件的装配时间，且相比传统工艺生产的零件而言，该发动机罩的硬度也得到了提升，零件质量得到了提高。

©Porsche

根据保时捷动力系统开发工程师Falk Heilfort，这种新的制造技术从技术性和经济性上都很吸引保时捷。不论是原型开发还是定制或小批量生产，都能找到这项技术的应用方向，尤其是在赛车运动以及经典备件方面，优势将更加明显。电动发动机罩的尺寸为590x560x367mm，使用NXGXII 600仅用21小时即可完成打印。

©Porsche

深入了解3D打印在汽车零部件制造领域的应用，请前往延伸阅读中的3D科学谷白皮书专辑，参考《3D打印与新能源汽车白皮书》、《3D打印与热交换器及散热器应用》等白皮书。

l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请扫码参与调研。

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Boom Supersonic的XB-1中6个VBV机身歧管的3D打印过程©velo 3D

超音速的非凡加工技术

根据雪球网的报道，Boom Supersonic和VELO3D于2019年宣布建立合作，以制造复杂的飞机硬件来组建XB-1，并在VELO3D的Sapphire系统上进行了一系列鉴定试验。打印的钛零件用于发动机硬件、环境控制系统和结构件。其几何设计特征包括具有高纵横比的高而薄的外壁，这些外壁本身难以通过传统工艺（例如焊接和铸造）或大多数现有的3D打印技术来制造。VELO3D独特的SupportFree打印工艺支持前所未有的设计自由度和质量控制，消除了飞机设计创新中的制造限制。

根据VELO3D首席执行官兼创始人Benny Buller，由于在空气动力学设计方面必须同时满足卓越的耐用性和高温工作的挑战性要求，飞机硬件尤其难以通过3D金属打印的方式来制造。但VELO3D的技术能够生产轻薄、复杂的设计部件，满足最苛刻工作条件下的任务关键型应用要求。VELO3D与Boom的合作伙伴关系是金属增材制造行业的一项真正进步，而XB-1超音速飞机则是航空工业的革命者。

VELO3D的Sapphire 3D金属打印机为Boom Supersonic的XB-1飞机制造了21个硬件组件。

根据3D科学谷的了解，XB-1的开发过程充分利用了计算机仿真软件和3D打印的优势，使得设计和制造过程更快、更高效。Boom的优势在于可以在数百种计算机仿真中迭代和测试设计，相比于使用风洞对设计进行迭代，不仅成本高昂，而且非常耗时。

工程师能够在飞机的设计过程中运行数千个计算机模拟计算，仿真和3D打印对提升Boom的设计效率很重要，基于市场对长途航空旅行的巨大需求，数十年的技术进步以及燃油效率的提高，Boom发力运行经济性大大改善的超音速客机，通过下一步要开发的Overture以便使乘机的成本与目前的公务舱旅行相当，据称已经获得了日本航空和维珍航空的预定。

Boom还试图通过使用最新的降噪技术来提高环保意识，确保其发动机的稳定性与低碳排放，面向可持续的航空燃料兼容，并建立LEED认证的装配线。

AR1发动机©CNBC

 / 3D打印-赢得超音速制造技术竞赛的关键

3D打印正在助力超音速飞机成为新的商业角逐点，根据3D科学谷的市场观察，波音和劳斯莱斯已投资2650万英镑（约合3760万美元）于英国Reaction Engines公司，致力于3D打印SABRE发动机和开发未来超音速旅行发动机方案。这种混合动力发动机的发展的一个重大突破是Reaction Engines专有的换热器技术，它是“世界上冷却空气最强有力的手段”。该技术可以从空气中去除400 MW的热量“相当于一个小型发电厂。”在此热交换过程中防止结冰的推进剂注射器系统使用3D打印增材制造技术制造。

此外，Aerojet Rocketdyne 为美国国家航空航天局（NASA）和美国国防高级研究计划局（DARPA）制造的新型高超音速发动机2018年成功通过测试。这其中，3D打印技术与高超音速航天发动机制造经验的结合，为研发下一代高超音速推进系统奠定基础。Aerojet Rocketdyne 开发的“新型双模式冲压式喷气发动机/超燃冲压（DMRJ）发动机”，结合了燃气涡轮发动机（形成基于涡轮的联合循环推进-TBCC系统）， 能够将飞行器从静止状态推进到5马赫或更高的高超音速飞行状态并再次返回。

而GE将旗下Affinity涡扇发动机经行特殊改装优化，采用了经过验证的超音速飞行技术，能够满足Aerion AS2的超音速飞行要求。根据3D科学谷的市场观察，GE的Affinity也使用了大量的3D打印技术。

更多信息请参考3D科学谷发布的《3D打印与航天制造业白皮书》《3D打印高温合金白皮书》《3D打印与航空发动机白皮书》《3D打印与陶瓷白皮书》。

l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请扫码参与调研。

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