اکنون که طراحی تک انژکتور آزمایشات دقیقی را پشت سر گذاشته است، هدف این است که آرایه بزرگی از آنها را در یک محفظه احتراق قوی تر جمع کنیم. VELO3D در حال مشاوره بیشتر با آزمایشگاه‌های Zucrow است تا به آنها کمک کند تا از قابلیت‌های «ساخت هر چیزی که می‌خواهید» بهره ببرند – با ادغام مجموعه انژکتور در یک قطعه تک‌تکه و پرینت سه‌بعدی. از آنجا، مهندسان به پالایش و مونتاژ یک سیستم احتراق کامل ادامه خواهند داد و هدف آن قابلیت آزمایش فراصوت در مقیاس کامل در پاییز 2022 است.
کارسون اسلاباگ، دانشیار پردو، که تیم 20 نفره‌اش در آزمایشگاه‌های زوکرو از زمانی که آزمایشگاه خود را در پوردو در سال 2015 راه‌اندازی کرد، در حال مطالعه سیستم‌های احتراق پرسرعت بوده‌اند، گفت: «یک خطی وجود دارد که شما در حوالی 5 ماخ از آن عبور می‌کنید. پرواز می کند که سریع، فشرده سازی و گرمایش شدید هوایی که در اطراف و درون بدنه جریان دارد رخ می دهد. در 5 ماخ، حدود 6 برابر افزایش دما و افزایش فشار چند صد برابر است. این نوع بارگذاری حرارتی و مکانیکی باعث می‌شود که رژیم آیرودینامیک و ترمودینامیک و مکانیک سازه در مقایسه با سیستم‌های کم سرعت کاملاً تغییر کند.
“Supersonics” به هواپیماهایی گفته می شود که دیوار صوتی را با سرعت 1 ماخ می شکنند (مانند Concord که اکنون بازنشسته شده و Boom Supersonic در حال ظهور) و تا حدود 5 ماخ گسترش می یابد که پنج برابر سرعت صوت و بیش از 3500 است. مایل بر ساعت در سطح دریا با رسیدن به سرعت بالا – وارد محیط هایپرسونیک می شوید. همانطور که محققان دانشگاه پوردو در حال یادگیری هستند، کاوش در این محیط به عنوان یک مکان اثبات عالی برای چاپ سه بعدی فلزی است. کار اخیر آنها، با همکاری Velo3D، نشان می دهد که فناوری پیشرفته ساخت افزودنی اکنون قادر به تولید قطعات کاملاً متراکم و با استفاده نهایی با استحکامی است که از روش های سنتی مانند ریخته گری فراتر می رود – که می تواند شرایط مافوق صوت را ایجاد کرده و تحمل کند.
زمینه هایپرسونیک
برای Nick Strahan، مهندس آزمایشی که روی تیم Slabaugh کار می‌کند، تجربه استفاده از AM چشم‌نواز بود. او گفت: «ما اساساً قبلاً با در نظر گرفتن تکنیک‌های سنتی تولید کسرکننده به این مشکل نزدیک شده بودیم. “اما برخی از ویژگی‌ها در طراحی ما وجود داشت که عملکرد محفظه احتراق را محدود می‌کرد – و انجام آن به‌صورت افزودنی با Velo3D به ما این امکان را داد که هندسه منحصر به فرد خود را بسیار راحت‌تر ادغام کنیم.”
عبور از موانع تولید سنتی
اسلاباگ گفت: «ما قطعاتی را مهندسی می‌کنیم که محیط‌های مافوق صوت را در حالی که صفر مایل در ساعت طی می‌کنند و روی زمین بسته می‌مانند، تجربه می‌کنند.
«اگر هوای ورودی خیلی گرم باشد، واقعاً نمی‌توانید با سوزاندن سوخت، انرژی مفید بیشتری به جریان اضافه کنید. اثرات تفکیک بسیار قوی می شود و واکنش ها نمی توانند کامل شوند. “خنک کردن نیز در این سرعت های پرواز بسیار دشوار می شود.” برای جلوگیری از چیزی که دانشمندان موشک به شوخی آن را “جداسازی سریع برنامه ریزی نشده” می نامند، تیم آزمایشگاه Zucrow بر یادگیری هر چیزی که ممکن است در مورد فیزیک جریان آشفته (واکنش) بحرانی متمرکز شده است که باید در هنگام رسیدن یک موتور به سرعت های مافوق صوت در نظر گرفته شود.
مدتی است که نرم افزار شبیه سازی کامپیوتری پیشرفته ابزار ارزشمندی برای مهندسانی بوده است که نیاز به کشف رابطه بین فیزیک پیچیده و ساختارهای فیزیکی دارند. روش‌هایی مانند دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و تعامل ساختار سیال (FSI) را می‌توان برای شبیه‌سازی رفتار مواد و ساختار در پاسخ به جریان هوا یا مایع مورد استفاده قرار داد و به مهندسان این امکان را می‌دهد که طرح‌های خود را قبل از ساخت هر چیزی بهینه کنند. اما فراصوت به شدت غیرقابل پیش‌بینی است و حتی پیچیده‌ترین قابلیت‌های شبیه‌سازی رایانه‌ای را شکست می‌دهد.
برای رویارویی با این چالش، اسلاباگ و تیمش با انژکتورهای سوخت پرینت Velo3D به چاپ سه بعدی با هندسه های پیچیده که عملکرد بسیار بالایی در اختلاط سوخت و هوا دارند، همکاری کردند. این قطعات را نمی‌توان با روش‌های ساخت مرسوم ساخت، به‌ویژه نه با سوپرآلیاژهای فلزی با دمای بالا و استحکام بالا که برای زنده ماندن در شرایط سخت آزمایش لازم است. این تیم ها با هم کار کردند تا به سرعت طرح های تیم پوردو را برای آزمایش، ارزیابی و تکرار طراحی نمونه سازی کنند. Slabaugh و تیم سپس از داده‌های نمونه‌های اولیه استفاده کردند تا طرح‌های خود را به یک سیستم در مقیاس کامل تبدیل کنند، که Velo3D نیز آن را تولید کرد.
استفاده از تولید سنتی کاهشی به معنای ریخته‌گری قطعات منفرد با چرخه‌های طولانی و طولانی ابزارسازی، قالب‌سازی و تکرار طراحی است. Strahan گفت: “تکنیک های AM زمان تولید را به طور قابل توجهی کوتاه کردند زیرا ما طرح های خود را بهینه کردیم.”
به گفته Slabaugh، معنی این موضوع این است که حتی به محض بازگشت از جو در واکنش به گرانش، “شما در حال حرکت از میان یک توپ آتشین با سرعت مافوق صوت هستید.” این زمانی اتفاق می افتد که فضانوردان از ایستگاه فضایی بین المللی به زمین باز می گردند – و به همین دلیل است که ماژول های آنها توسط سپرهای گرمایی عظیم محافظت می شود.
چالش با محاسبات پرسرعت
با Velo3D، ما در حال طراحی انژکتورهایی برای آن محفظه احتراق هستیم تا میدان‌های جریان آشفته بسیار خاصی تولید کنیم که سوخت را با سرعت معینی مخلوط می‌کند و به ما امکان می‌دهد شعله بسیار قدرتمندی را در حجم بسیار فشرده تثبیت کنیم. این شرایط را برای همه چیزهایی که در پایین دست آزمایش خواهیم کرد، ایجاد می کند.
Slabaugh گفت: “افزودن در زمینه تحقیقاتی که ما به طور مداوم در حال آزمایش پیکربندی های مختلف قطعات هستیم واقعا مفید است.” در عین حال، با این قطعه انژکتوری چاپ شده سه بعدی، ما نمی‌توانستیم تفاوت بین آن و قطعه ماشینکاری شده را از بسیاری جهات تشخیص دهیم. ده سال پیش این فناوری به نظر یک فانتزی به نظر می رسید، اما ما اکنون قطعات AM را دریافت می کنیم که می توانند مستقیماً به موتورهای ما از چاپگر بروند – که بسیار شگفت انگیز است.
اسلاباگ گفت: «چیزی که ما با Velo3D روی آن کار می کنیم اساساً یک مشعل پرینت سه بعدی بسیار بزرگ است که برای ایجاد محیط جریان مافوق صوت روی زمین در یک سلول آزمایشی استفاده خواهد شد. «به طور مؤثر، اگر می خواهید یک وسیله نقلیه مافوق صوت را روی زمین آزمایش کنید، یک موتور موشک با یک نازل بزرگ همگرا و واگرا و یک ستون مافوق صوت از گاز بسیار داغ می سازید. “گلوله آتشین” که وسیله نقلیه از آن عبور می کند. کل سیستم به تعداد زیادی بتن پیچ شده است. سپس هر مولفه ای را که طراحی می کنید را داخل آن ستون می چسبانید و تماشا می کنید که چه اتفاقی می افتد.”
توانایی پرینت سریع سه بعدی انواع هندسه های انژکتوری برای محفظه احتراق آزمایشی – در این مورد، ساخته شده از Hastelloy X، یکی از معدود سوپرآلیاژهای با استحکام و دمای بالا که می تواند در برابر محیط هایپرسونیک مقاومت کند – تیم Purdue را قادر ساخت تا به سرعت تشخیص دهید که کدام طراحی بهترین کار را انجام می دهد.
تنها در دو هفته، تیم توانست بالاترین عملکرد را که تمام ویژگی‌های ثابت و پویا مورد نظرشان را داشت، جدا کند. انژکتور با کارایی بالا پارامترهای حیاتی را که مهندسان برای عملکرد محفظه احتراق بیشتر ارزش قائل بودند، برآورده می‌کند: قدرت شعله (به عنوان نمونه ای برای شرایط پرواز شبیه‌سازی شده) و پایداری شعله (معیاری برای سلامت و کارایی احتراق). Slabaugh می گوید: «هر دو قدرت و پایداری برای ایجاد محیط آزمایش زمینی واقعی با دستگاه خود ضروری بودند، اما این پارامترها اغلب برای تعادل در یک دستگاه در مقیاس بزرگ بسیار دشوار هستند. ما توانستیم هندسه انژکتور و شرایط جریان را به طور مستقل در آزمایش خود تنظیم کنیم تا با این دو پارامتر جدا نشدنی به نتایج مطلوب دست یابیم. ما AM را ابزاری قدرتمند می‌دانیم که با آن می‌توانیم راه‌حل‌های مهندسی خلاقانه دیگر را برای مشکلات پیچیده طراحی سریع‌تر به واقعیت تبدیل کنیم.»
حرکت رو به جلو
Strahan گفت: “سیستم تولید انتها به انتها VELO3D قطعات متراکمی را تولید می کند که به حداقل پس پردازش نیاز دارد.” «فقط با کمی ماشینکاری پاکسازی، می‌توانیم آنها را برای آزمایش در محفظه احتراق در مقیاس تحقیقاتی خود نصب کنیم. سپس می‌توانیم راندمان احتراق تولید شده توسط هر هندسه را با هدف ایجاد جریانی که از نظر شیمیایی و ترمودینامیکی شبیه جو در سرعت‌های پرواز بسیار بالا باشد، اندازه‌گیری کنیم.
مهندسان به طرز ماهرانه‌ای مسیرهای جریان انژکتور را با پنج طرح مختلف تغییر دادند (فقط با تغییر دادن فایل داده STEP که نرم‌افزار آماده‌سازی چاپ سیستم Velo3D Sapphire به طور خودکار در آن قرار می‌گرفت)، آنها را چاپ کردند و آنها را از طریق یک دستکش مافوق صوت اجرا کردند. شرایط آزمون مربوطه
برای پشت سر گذاشتن این چالش، مهندسان شبیه‌سازی را پشت سر گذاشته و به پارادایم ساخت و ساز کلاسیک و واقعی دنیای واقعی «ساخت و شکستن» باز می‌گردند – این بار با استفاده از فلز پیشرفته AM.
از آنجایی که طراحی و ساخت قطعات برای شرایط مافوق صوت – چه رسد به تلاش برای پرواز وسایل نقلیه با این سرعت – به طور قابل درک گران است، بسیاری از تحقیق و توسعه برای توسعه قابلیت های مافوق صوت توسط ناسا و بودجه های سطح دفاعی پشتیبانی شده است. آزمایش پرواز این سیستم‌ها محدودیت‌های عمده‌ای در مورد اندازه‌گیری واقعی برای اهداف تحقیقاتی دارد. مهندسان به شدت به راه‌حل‌های زمینی برای توسعه فناوری‌های جدید تکیه می‌کنند و در عین حال هزینه‌ها را کنترل می‌کنند – با بازسازی شرایط تجربه شده در طول پرواز مافوق صوت و اثبات اجزای موتور در تأسیسات آزمایش زمینی، مانند آنچه در پوردو که تیم اسلاباگ در حال ساخت موشکی برای آن است. هرگز زمین را ترک نخواهد کرد
Slabaugh گفت: “از طریق مشارکت خود، ما به Velo3D کمک کردیم تا الزامات طراحی سیستم‌های احتراق پرسرعت را درک کند و آنها به ما یاد دادند که چگونه برای تولید مواد افزودنی طراحی بهتری داشته باشیم.” “این نوعی از روابط سودمند دوجانبه است که ما با شرکای صنعتی ایجاد می کنیم، زیرا چالش های مرتبط با انتقال فناوری پیشرفته را حل می کنیم.”
برای دستیابی به پرواز مافوق صوت نیرومند – با هواپیمای قابل کنترل، وسیله نقلیه بدون سرنشین یا موشک – به یک موتور نیاز است. بالاتر از 5 ماخ، دمای هوای اتمسفر، در حین عبور از آن، هزاران درجه و فشار آن چند صد psi است. اگر به اندازه کافی سریع پرواز کنید، خود هوا حتی می تواند واکنش شیمیایی داشته باشد. این شرایط جریان شدید به چالشی برای هر سیستم محرکه وسیله نقلیه ای تبدیل می شود که نیروی رانش از سوختن سوخت ناشی می شود.
اسلاباگ نتیجه گرفت: «AM یک فناوری توانمند برای دستگاه‌های احتراق، سیستم‌های مدیریت حرارتی، و اجزای ساختاری در بسیاری از این رشته‌ها، از جمله مافوق صوت است، و بدون شک در آینده ارزش ویژه‌ای در این زمینه خواهد داشت.»
Slabaugh گفت: «یک مشکل اساسی این است که ما نمی‌توانیم شرایط جریان و شعله موتور را در شرایط مافوق صوت پیش‌بینی کنیم. واکنش، جریان آشفته برای مدل سازی با CFD بسیار پیچیده است. ما در چنان سطوح شدید تلاطم و شرایط جریان هستیم که نمی‌توانیم هر چیزی را که در طول تکامل شعله اتفاق می‌افتد را ثبت کنیم. در جریان، چگالی، ویسکوزیته، سرعت، گونه‌ها و غیره در حال تکامل دارید – و وقتی ساختارهای مکانیکی مانند دیواره‌های موتور را برای مهار شعله اضافه می‌کنید، با طراحی‌های خنک‌کننده که می‌توانند بر جریان و شعله نیز تأثیر بگذارند، پیچیده‌تر می‌شوید. قدرت محاسباتی مورد نیاز شما برای تجزیه و تحلیل حتی کوچکترین قسمت این موتور بسیار گران است – و نتیجه نهایی این است که بسیاری از فرضیات ساده‌سازی باید برای تجزیه و تحلیل طراحی یکپارچه انجام شود. ارزیابی این مفروضات و تأثیر آنها بر دقت مدل، موضوع اصلی کار اسلاباگ است.