打破常规

作者:ANSYS 员工

自2015年创立起,Relativity Space致力于实现一个独特的愿景:把利用增材制造技术(3D打印)加工的火箭发射到太空。这家位于加州、具有雄心壮志的初创公司志在改变全球的航空航天行业,希望以更快速度、更低成本和更简便的方式制造火箭。Relativity已经开始改写商用卫星发射的规则,希望最终能够在火星上制造出其3D打印火箭,在那里采用这种创新的低成本技术来支持人类移民。

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Relativity Space 3D printer

“在管理增材制造操作时没有任何方式比仿真有更高清晰度和置信度。”

additive manufacturing rocket engine

Relativity Space志在成为第一家发射完全利用3D打印(增材制造技术)制造的火箭的公司。该公司的Aeon火箭发动机仅包含100个部件,三次打印操作即可完成制造。

 

Tim Ellis和Jordan Noone在就读南加州大学时,俩人由于对火箭的共同热爱而成为志同道合的朋友。他们在USC的火箭推进实验室一起工作,该实验室由一群希望成为第一批把火箭发射到太空的大学生创建。

毕业后,Noone加入SpaceX,而Ellis则进入Blue Origin工作。他们二人在2015年重逢,并决定成立一家名为Relativity Space的初创公司。他们的新公司立足于一个全新的概念:通过新兴的3D打印技术(又称为增材制造(AM))制造火箭。虽然有些其他公司在打印飞行器组件,但是Ellis与Noone希望率先利用AM技术制造整个火箭。

这两个创始人认识到增材制造具有众多优势。火箭结构可以得到简化。采用AM制造的、只包含100个部件的火箭与包含10000个单独部件的火箭相比,前者的结构稳定性要高得多,而且更加牢固。AM技术可以显著优化装配体,而且简化端到端供应链和促进其无缝集成。此外,AM还可以消除对创新几何结构的限制,同时实现更多设计选项。

公司首席技术官Noone表示:“当我们宣布希望以3D打印方式制造火箭时,很多人认为我们太疯狂了,但是行业中经验丰富的人士看到了我们这个创意的潜质。”这些人包括一位亿万富翁投资人Mark Cuban,他投入50万美元帮助Relativity起步。Relativity另外还入选了著名的Y Combinator计划,该计划旨在为初创公司提供资金和战略咨询。

解决了资金和商业计划后,只剩下一个重要问题:Ellis和Noone找不到一台足够大的用来制造火箭的3D打印机。因此二位梦想家打造了自己的专属打印机。

STARGATE:推出新一代AM

直径9英尺,高15英尺,这台名为Stargate的全球最大的3D打印机设备伫立在该公司位于加州洛杉矶的总部。

Stargate打印机的复杂工程过程有一部分是采用仿真技术进行管理。Noone和Ellis在之前的工作中都使用过ANSYS软件,因此他们在成立Relativity Space后的八天内就联系了ANSYS。Noone表示:“ANSYS软件在全球航空航天行业中赢得了良好口碑,它是值得信赖的技术,以超高精度和易用性著称。我们知道,需要ANSYS技术来实现我们的创意。”

Relativity通过ANSYS初创公司计划能够快速获得软件授权。Noone指出:“在前期就与ANSYS合作,对于加快Stargate设计周期以及确保获得正确的物理过程至关重要。例如,我们仿真了打印机内部的计算流体动力学,以便优化实际打印过程中的材料流动。”

虽然设计和制造打印机需要时间和资金,但是与购买固定加工设备和建造制造工厂所需的数千万美元相比,这个投资要低得多。

采用3D打印机还可以最大限度提高工程团队的灵活性,因为它可以实现产品设计迭代。Noone指出:“重组传统制造设施可能需要花费数月时间和数百万美元。但是我们能够在18天内就完成新发动机设计,而且在30天内完成全新飞行器的迭代工作。这让我们能够实现航空航天行业中无可匹敌的灵活性和响应度。”

“当我们宣布希望以3D打印方式制造火箭时,很多人认为我们太疯狂了。”

Relativity Space rocket

“我们知道,需要ANSYS技术来实现我们的创意。”

AEON:第一台3D打印火箭发动机

此外,Relativity的工程师还依靠ANSYS仿真技术来设计Aeon,这是第一台完全采用增材制造技术生产的火箭发动机。Aeon在发射时能够产生15500磅的推力,它是由镍合金制造而成。由于仅包含三个部件,这款发动机分三次打印制造。

Relativity产品研发团队采用ANSYS Fluent软件对发动机的喷射单元、冷却孔和歧管进行了计算流体动力学(CFD)仿真。通过优化这些区域的流动性能,工程师能够缩短整个设计周期,同时降低物理测试的高额成本。

此外,该公司的工程师还采用ANSYS Mechanical评估了发射等重要活动过程中Aeon发动机内部的结构应力。100多次试发射已经确认了ANSYS仿真技术能够有效优化Aeon的强度和结构稳定性。

Relativity Space 3D printer

Relativity公司的Stargate是全球最大的3D打印机。

 

利用ANSYS ADDITIVE SUITE优化结果

作为利用3D打印技术制造最大型产品的制造商,Relativity Space自然而然地对ANSYS在2018年发布的ANSYS Additive Suite 十分感兴趣。事实上,Relativity是这个新软件系列的第一家正式客户,该软件能够优化从材料成分到机器设置的整个3D打印过程。

Noone表示:“我们认为ANSYS Additive Suite真是太棒了。在实际投入材料进行生产之前,我们可以仿真每次打印操作的结果,从而大幅减少风险。”

Noone指出,采用金属材料制造巨大的部件形状存在非常高昂的试错成本。ANSYS Additive Suite 中的新功能使Relativity工程团队能够预测并解决变形区域,确保几何结构精度,消除材料浪费和避免潜在机器损坏等等。Noone表示,“在管理增材制造操作时,没有任何其他一种方式能够获得如此高的保真度和置信度。”

下一站?火星

对于Relativity的Aeon发动机及其命名为Terran的运载火箭,其最初应用将会是商用卫星市场。该公司在这个行业占据独特的利基市场,即为1250公斤(大约一辆小型汽车的大小)范围内的卫星提供按发射付费服务。

由于能够通过AM技术每60天制造一个新的运载火箭⸺相比之下采用传统制造方法需要一年的研发时间,因此Relativity希望能够占领这个快速增长的市场领域。Relativity已经与客户签订了计划在2020年进行首次发射的合同。

不过Relativity Space的长期愿景要宏伟得多。这家活力无限的初创公司希望成为第一家能够在火星上制造和发射3D打印火箭的公司。

Noone表示:“我们预想着人类移民在地球和火星上都会兴旺发达。不过,最初火星上的资源会非常匮乏。而AM技术的灵活、相对轻量化特性可以提供一种快速、低成本的方式,比如制造人类生存所需的物品以及返回地球所需的火箭。就工程方面而言,我们所做的一切都是为了这个终极目标。例如,Aeon发动机是由氧气与甲烷这两种在火星上非常容易生产的推进剂驱动。”

Noone总结道:“我们承认这个愿望听起来野心勃勃,但是我们希望激励更多初创公司加入到实现人类多星球移民的努力中来。因为小公司也可以有大梦想。”

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