【3D列印】 學生火箭團隊運用3D列印製造火箭零件
增材製造如何幫助加州大學爾灣分校（UCI）的工程師將設計迭代週期從數週縮短至數小時
大多數人仍將桌面 3D 列印機視為生產塑料小玩意的機器。但這項技術已悄然成熟，成為一種嚴肅的製造工具——它正在重塑工程師在地球上一些要求最苛刻的行業中設計、測試和構建硬體的方式。
而航太領域正是其中的佼佼者。
曾經是價值數十億美元承包商的專屬領域，現在對於願意投入正確工作流程的小型團隊來說，正變得越來越容易進入。現代列印機能夠處理工程級聚合物，提供嚴密的尺寸公差，並在數小時而非數週內交付零件。
這種轉變為學生工程團隊開闢了一條新路徑：他們不再需要等待外包組件或在共享實驗室機器上爭取時間，而是可以按照自己的進度，以極低的成本運行自己的快速設計循環
UCI 火箭項目液體團隊（UCI Rocket Project Liquids Team）是這種實踐轉變的一個引人注目的例子。這是一個由加州大學爾灣分校約 30-40 名本科工程師組成的團體，他們設計並建造由低溫甲烷和液氧驅動的液體燃料火箭。
這與 SpaceX 和 Blue Origin 為其深空未來所押注的推進劑組合相同。
他們目前的載具 MOCH4 旨在打破大學 MethaLOX（甲烷液氧）高度紀錄。
為了實現這一目標，他們需要快速行動、頻繁測試並控制成本。增材製造——具體來說是標準化的 Bambu Lab 列印機機群——成為他們實現這三點的核心。以下是其實際運作方式...
| UCI 火箭項目液體團隊
UCI 火箭項目液體團隊在設計和建造液體燃料火箭的同時，也承擔著更廣泛的教育使命。該團隊匯集了 30-40 名本科工程師，讓他們直接擁有複雜且對飛行至關重要的系統的所有權。
通過動手開發，成員們不僅在工程設計和測試方面獲得經驗，還在領導力、系統思維和專業協作方面得到鍛煉。火箭本身證明了一個充滿動力的學生團隊在獲得正確工具、指導和知識傳承的支持時所能取得的成就。
該團隊面臨的一個決定性技術挑戰是使用低溫液態甲烷和液態氧（MethaLOX）推進劑。這些推進劑需要廣泛的研究、嚴謹的測試和精細的系統級整合。
同時，它們代表了工業界為未來深空任務日益採用的推進架構。MethaLOX 能夠實現原位資源利用，包括從火星資源中產生返程推進劑的潛力。
[1] 由學生設計的火箭結構和蒙皮的複合模型；[2] 學生正在加工火箭的防火材料，可以看到3D列印的蒙皮部分。
SpaceX 和 Blue Origin 等公司已致力於這種方法，這使得學生在 MethaLOX 系統方面的經驗與當前的工業實踐直接相關。
2023 年，該團隊發射了加州大學爾灣分校的第一枚液體火箭 PTR，高度達到約 9,100 英尺。
從該項目中吸取的教訓被納入 MOCH4 中，這是一枚壓力饋送的 MethaLOX 載具，旨在挑戰 13,205 英尺的大學 MethaLOX 高度紀錄。
作為重新設計的一部分，團隊重點關注了頂部氣動結構和回收系統。增材製造結構成為核心推動力，使團隊能夠在內部生產配合檢查原型、飛行相關支架、外殼、夾具、鑽孔指南、電纜管理硬體、吹掃模具和相機外殼。
以前通過外包需要數週前置時間的組件，現在可以在數小時內生產出來，從而在投入加工零件之前實現快速迭代。
這一工作流程與 Bambu Lab 列印機的能力高度契合。
團隊需要使用 PA-CF、PC 和 ASA 等工程級材料進行高速、可靠的列印。這些能力使得頂部縱樑、隔板接口和外殼切口的快速原型製作成為可能，並能製造用於地面測試和固體火箭演習的耐用回收裝置。
此外，列印機還支持創建整合工具，減少了組裝時間和返工。
團隊的第一台 Bambu 印表機：A1 Mini
在進行案例研究時，團隊可以使用多台 Bambu Lab 系統。
一台 A1 mini 用於快速、隨時待命的原型製作，而 P1S 則支持更大的零件和更快的迭代。通過與 MatterHackers 的長期合作，團隊還可以使用一台 Bambu X1 進行更高產量或特殊列印任務。
一台由 Bambu Lab 正式贊助的 H2D 列印機也計劃加入，以解決團隊最顯著的限制：校園內列印機可用性和材料獲取受限。
選擇標準化使用 Bambu 列印機是由速度、尺寸精度、可靠性以及新成員易於上手的特性驅動的。早期需要大量調試的列印機消耗了不成比例的工程時間。相比之下，Bambu 系統讓團隊能夠專注於設計、測試和整合，而不是列印機的維護。
| 採用 Bambu Lab 技術前的挑戰
在將 Bambu 列印機整合到工作流程之前，團隊面臨著多項限制。列印機的使用分散在個人機器和合作夥伴設施中，導致排隊時間長、時間表不一致且材料選擇受限。
列印質量參差不齊，特別是在舊平台上，這增加了返工並減慢了頂部氣動結構和航空電子硬體的設計循環。
團隊發現了一個機會，可以圍繞一個可靠、高速的系統集中生產，該系統可以支持當天的配合檢查和功能性列印。縮短迭代時間對於維持項目的測試和發射進度至關重要。
| Bambu Lab 解決方案：工作流程變化與可衡量的效益
採用 Bambu Lab 列印機後，團隊立即看到了迭代速度的變化。以前需要數天的配合和間隙檢查現在可以在數小時內完成。這加速了從設計到測試的週期，並允許快速優化幾何形狀、接口和剛度。
擴展的材料範圍使得 PETG、ASA、PA-CF 和 TPU 能夠實際應用於需要特定熱、結構或阻尼特性的功能組件。
學生設計的火箭結構與外殼複合材料；[2] 學生正在處理火箭的防火材料，可以看到 3D 列印的外殼零件
列印質量和運行時間顯著提高，尺寸和表面光潔度更加一致，減少了後期處理和重新列印。新成員也能快速學習切片和列印流程，降低了貢獻門檻並節省了工程時間。
在撰寫本文時，團隊對該平台沒有實質性的批評，並計劃在長期使用 H2D 系統後提供進一步反饋，特別是在高溫聚合物和長時間列印方面。
| 結果
MOCH4是該團隊研發的下一代液甲烷/液態氧火箭，其設計目標是可靠、可回收並能創造新的性能紀錄。為了在快速推進的同時控制風險，團隊使用固體火箭試驗飛行器SR-5作為全尺寸飛行試驗平台。 SR-5能夠讓MOCH4中不依賴MethaLOX的子系統（例如頂部組件和航空電子設備蒙皮）在真實的飛行環境中進行驗證。
[1] 團隊設計的火箭外殼結構；[2] 火箭外殼結構詳圖；[3] 通過 3D 列印加工的實體火箭外殼，安裝在鋁合金主框架上
整個流程簡單易行且可重複。團隊使用3D列印機製作出類似飛機的蒙皮，對其進行破壞性地面回收測試，然後將成功的配置搭載在SR-5飛機上進行試飛。這些飛行數據將用於後續的設計迭代，最終確定MOCH4的配置。
地面測試包括將列印蒙皮黏合到複合材料結構上，並使用實彈黑火藥噴射和降落傘展開進行破壞測試。
設計方案一旦通過地面測試，就會搭載SR-5飛機進行飛行測試，以驗證難以在台架上模擬的飛行中空氣動力學、熱力學和衝擊負荷。之後，團隊會重複迭代並進行多次飛行測試，以優化壁厚、加強筋佈局和嵌件設計。
頂部和航空電子設備部分需要清晰的射頻性能，以保障攝影機、遙測設備和GPS的正常運作。傳統的碳纖維複合材料會衰減射頻訊號。透過使用射頻透明聚合物列印蒙皮，並在必要時添加複合材料加固，研究團隊在滿足結構要求的同時，也確保了訊號傳輸路徑的暢通。
列印蒙皮還提供了極大的整合自由度。天線窗口、電纜走線、剪切銷座、相機安裝座和檢修艙口可以直接整合到幾何體中，無需更換模具和進行二次加工。最重要的是，團隊可以在幾天內完成從CAD設計到列印、破壞性測試再到飛行測試的整個流程，這在發射年度計劃中至關重要。
[1] SR-5火箭正在進行地面破壞性試驗；[2] 試驗後的3D列印火箭外殼
最終目標是製造出一套可飛行、射頻透明的頂部和航空電子設備蒙皮組件，能夠滿足回收載荷的要求並留有餘量，首先在 SR-5 上進行驗證，然後推廣到 MOCH4。
將蒙皮和航空電子設備原型機帶回公司內部，使得大部分零件的迭代週期從5-10天縮短到不到24小時。這種節奏使得我們可以在周中進行地面測試，連夜重新列印，並在周末進行SR-5的試飛。
[1] SR-5試驗火箭在發射台上等待發射；[2] SR-5試驗非常成功，發射成功
每次迭代的成本大幅下降。
類似的外部列印項目通常每個成本在 150 至 400 美元之間，而內部列印僅需約 8 至 25 美元的耗材和機器使用費。成本的降低使得在預算壓力下能夠頻繁地進行破壞性測試。
與傳統的家用印表機相比，Bambu 系統能夠實現更一致的尺寸和更清晰的懸垂效果，這對於剪切銷介面、相機艙門和天線視窗尤其重要。更快的迭代週期也使團隊能夠篩選多種設計方案，並利用飛行資料而非僅依賴分析來解決結構問題，直接降低了 MOCH4 的風險。
| 展望未來
該團隊計劃將3D列印技術從主要用於原型製作擴展到製造類似飛行器的硬體。未來的工作包括研發更堅韌的射頻透明聚合物、用於航空電子設備和蒙皮的玻璃纖維增強尼龍、帶有粘合複合材料肋條的混合殼體，以及可減少二次操作的嵌入式結構。
有了校園內可用的 H2D 列印機，團隊希望透過存取更高溫度的列印設定檔、改進長時間列印的監控、可追溯的列印日誌以及快速週轉熱插拔測試件來加快測試速度。
3D列印技術已深度融入火箭研發的整個生命週期。它促進了結構設計的創新，縮短了製造週期，降低了成本，提高了性能可靠性，幫助團隊建立高效、靈活、強大的航空航太製造系統。
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