据韩国产业技术研究院 (KITECH) 近期宣布，一个通过3D打印技术制造的大型钛燃料箱成功通过了关键的耐久性测试，能够承受极端温度和压力，这在该类部件制造领域尚属世界首次。
直径640毫米的该储罐由Ti64钛合金制成，在冷却至-196°C（液氮温度）时，成功承受了330巴的压力。该部件是通过韩国航空宇宙研究院 (KARI)、KP航空工业公司、AM Solutions以及汉阳大学的联合项目开发的。
这一发展克服了传统制造的局限性，能够实现更快速、更定制化的太空部件生产。它还通过帮助确保国内供应链安全并增强民营主导的“新太空”产业的竞争力，提供了战略优势。
克服传统锻造工艺的局限
高压容器是航天运载器中的关键部件，用于输送液体燃料和控制飞行器的姿态。它们必须同时兼具轻质和耐用性，并在接触低温推进剂时保持稳定性能。
到目前为止，这些部件主要采用锻造方法制造，即在固定模具中压制钛合金。这种工艺对于标准化来说是有效的，但难以满足对各种形状和尺寸定制化部件的需求。
KITECH首席研究员李协博士解释说：“在过去的国家主导太空发展时代，使用标准化零件不成问题。然而，我们现在正处于‘新太空’时代，私营企业开发小型运载火箭以满足其自身特定目的。”“对定制化零件的需求不断增长，现在企业要求的不是标准的130升油箱，而是110升的油箱，或者例如圆柱体这样的替代形状。”
对锻造的依赖带来了挑战，因为大型钛锻造设施并不常见。韩国通常主要从乌克兰进口这些部件。近期的地缘政治事件引发了对供应链稳定性的担忧，突显了国内生产能力的需求。锻造工艺还需要较长的交付周期，通常需要六个月到一年，这会延缓运载器开发进度。
为了解决这些问题，研究团队采用了定向能量沉积 (DED) 3D打印工艺。该技术利用激光熔化金属丝材，根据数字设计逐层构建部件。该过程涉及制造两个独立的半球体，然后进行机加工和焊接以形成储罐。打印过程耗时三天，整个制造周期在几周内完成，大大缩短了交付周期。
该项目面临的挑战之一是克服业界对3D打印用于如此关键应用的疑虑。人们普遍认为，微观缺陷的可能性使得该技术不适合高风险部件，如压力容器，其失效可能导致严重后果。李博士说：“虽然3D打印曾被用于制造形状，但此前没有任何部件能够在实际发射的极端条件下获得安全认证。”“这是一项高风险测试，失败就意味着原型可能像炸弹一样爆炸，所以起初，我们面临着来自他人的巨大阻力，甚至不愿意尝试。”
该原型最终被提交给KARI进行低温压力测试。在一个由混凝土屏障围起来的安全设施内，该储罐被冷却至-196°C，并成功承受了330巴的压力，这一压力是标准轮胎压力的165倍。结果表明，3D打印部件能够满足严苛太空环境所需的高可靠性标准。
李博士评论道：“测试能够顺利进行，没有发生任何事故，我感到非常欣慰。”“我为证明3D打印工艺甚至可以用于高性能部件感到非常自豪。”
联合研究团队计划进行进一步测试，包括在操作压力下的重复加压，以使该技术为实际应用做好准备。
本报道是与我们的同事《普·科学韩国》合作完成的。
