Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

制造下一代航天器需要既极其坚固又足够轻盈以供飞行的材料。几十年来，工程师们一直依赖传统方法来塑造金属，但当需要制造燃料箱所需的巨大且复杂的曲线时，这些技术往往显得力不从心。一种被称为电弧丝材增材制造的新方法提供了一条不同的路径。这种方法不是将一整块金属切割成所需尺寸，而是通过一个像高精度焊接火炬一样的机械臂，逐层向上构建物体。它熔化一根细金属丝并按特定模式沉积，将其熔合为一个固体结构。虽然这种技术在快速制造大型部件方面具有巨大潜力，但它面临着一个重大障碍：熔化金属所需的剧烈热量会导致材料在冷却时发生翘曲和变形。在构建大型物体的过程中，这些微小的翘曲会不断累积，导致最终形状过于扭曲或脆弱，从而无法使用。

为了解决这个问题，清水公司（Shimizu Corporation）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的研究人员致力于将这种基于焊接的建造方法的快速性与传统加工的精密性结合起来。他们开发了一种混合系统，其中的机器人不仅负责添加金属，还负责移除金属。通过在同一个机器人工作单元中集成铣削工具和激光扫描仪，该系统可以在每一层构建时测量其高度，并实时调整机器人的路径。如果金属堆积过高或发生变形，机器人可以暂停焊接，磨掉多余的材料以创建一个完美的平整表面，然后继续构建。这一过程确保了最终物体能够保持其预定形状，即使热量试图使其偏离对齐。团队通过构建一个全尺寸的推进剂箱模型（即用于存放火箭燃料的容器）来测试该系统，并对其进行了压力测试，以观察其是否能够承受压力。

研究人员建造了一个高1.1米、宽部直径为1米、窄部直径为0.5米的演示用储罐。该储罐的壁由铝合金丝制成，通过层层沉积达到5毫米的厚度。为了在漫长的逐层添加过程中保持结构的刚性，团队在罐体内引入了环形加强筋，这些加强筋是在机器人恢复工作前通过手工焊接固定的。他们成功的关键在于使用了一个激光轮廓仪，该轮廓仪在机器人焊接时每秒扫描储罐表面十次。这使得系统能够不断检查所添加金属的高度，并自动调整机器人的运动以保持各层均匀。结果是一个无缝的金属壳体，尽管在制造如此大型物体时面临热量挑战，它仍保持了恒定的壁厚。

储罐完成后，团队需要验证其是否足够坚固，能够作为真实的燃料容器使用。他们用金属盖密封顶部，并向罐内注水进行静水压测试。这种方法测试强度既安全又有效，因为水不像空气那样可以被压缩，这意味着如果储罐发生故障，它不会发生剧烈的爆炸。他们缓慢增加罐内压力，密切观察金属如何拉伸和变形。储罐一直保持稳固，直到内部压力达到1.7兆帕，此时它终于破裂了。然而，破裂发生在手工焊接的盖子与机器人制造的罐体连接处的接缝处，而不是在储罐的主体部分。这表明焊接接头是薄弱点，而非通过增材制造工艺制造的金属壁。

衡量储罐性能的真正标准是对其金属开始发生永久性拉伸的时刻进行分析，这个点被称为屈服压力。通过使用灵敏的应变计测量储罐表面的应变，研究人员发现，当压力达到1.30兆帕时，储罐的圆柱部分开始屈服，而弧形底部部分的屈服压力为1.38兆帕。这些数字与团队根据所用铝丝已知强度进行的计算机模拟预测结果非常接近。模拟预计圆柱部分的屈服压力约为1.37兆帕，穹顶部分约为1.38兆帕。物理测试与计算机模型之间的紧密匹配证实，由机器人焊接工艺制造的金属与制造金属丝的原材料强度一样高。

研究还调查了内部环形加强筋是否对提高储罐抗压能力有显著作用。计算机模型显示，添加这些加强筋仅能提高约5%的抗压能力，增益相对较小。实验数据支持了这一点，显示出即使不严重依赖加强筋，储罐也能表现良好。研究人员指出，预测值与实际测试结果之间的微小差异可能源于计算机模型的简化，例如未考虑手工焊接盖子的精确形状或壁厚的微小变化。尽管如此，核心结论依然明确：混合制造系统成功生产出了一个符合理论强度要求的大型复杂铝制储罐。

这项工作证明，通过结合增材和减材技术，可以在不牺牲结构完整性的情况下，制造出米级规模的航天部件。成功的关键在于能够在错误发生时进行纠正，从而防止通常困扰大规模焊接项目的缺陷累积。虽然团队也确定了改进方向，例如提高焊接过程重启时的金属质量，但整个实验证明了该方法的可行性。储罐在压力下的表现完全符合物理定律的预测，这表明这种混合制造方法可以成为制造未来太空探索所需的大型轻质结构的一种可靠方式。