Amaa 2025：3D打印技术为诺斯罗普-格鲁曼公司节省了90%的成本和时间

诺斯罗普-格鲁曼公司正在将增材制造技术整合到其整个航天系统中，以缩短交付周期、降低成本并提高认证部件的设计灵活性。

在最近举行的 "增材制造航空航天优势（AMAA）2025 "会议上，安德鲁-汤普森（Andrew Thompson）透露，诺斯罗普每年都要打印数十万个零件。这家全球航空、航天和国防制造商正在积极地从原型制造过渡到生产最终使用的飞行就绪部件。

领导诺斯罗普-格鲁曼公司增材制造卓越中心（CoE）的汤普森谈到了该公司专有的连续复合三维打印技术。他还重点介绍了尖端的三维打印射频天线，该天线可提高在轨卫星的性能。

诺斯罗普的AM专家解释说，与传统的锻造和铸造方法相比，三维打印技术可以将某些部件的交付周期缩短90%。这家总部位于弗吉尼亚州的公司还看到了显著的成本节约，总体成本节约高达 70%，拓扑优化蜂窝板的成本节约高达 90%。

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诺斯罗普公司使用 EBM、LPBF、DED、WAAM、SLS 及其可扩展复合材料机器人增材制造碳/碳（SCRAM C/C）技术制造金属和复合材料零件。

汤普森在演讲中强调，如果最终部件不能增值或无法通过认证，那么先进的 3D 打印机和新型材料就毫无意义。因此，他认为，核心挑战在于设计、测试和检验，并指出："如果没有这些东西，就无法制造产品。

汤普森指出，质量控制仍占每个 3D 打印部件成本的近一半。他补充说，开发用于太空飞行的材料可能需要长达18个月的时间，耗资数百万美元。

诺斯罗普的增材制造 CoE 位于马里兰州埃尔克顿的工厂，正在努力应对这些挑战，并帮助塑造三维打印在太空应用中的未来。

诺斯罗普-格鲁曼公司的金属三维打印技术

诺斯罗普-格鲁曼公司（Northrop Grumman）在增材制造方面有着悠久的历史，早在 20 世纪 90 年代就首次将该技术用于塑料模具应用。如今，这家美国航空航天公司利用金属和聚合物三维打印技术生产卫星、运载火箭、有效载荷、高超音速、导弹防御和地面系统的终端零件。

诺斯罗普的空间系统 AM 战略分为三个不同的类别：小型金属、大型金属和复合材料。汤普森解释说，公司在内部进行工程设计，并将生产外包给 "小型企业和创新供应商"。汤普森解释说："我们不仅在利用建立起来的知识，而且还在帮助支持供应基地"。

对于小型金属，诺斯罗普公司采用激光粉末床熔融 (LPBF) 和电子束熔融 (EBM)。钛是公司用于 EBM 的 "主力 "原料，主要用于生产空间结构和子系统。该公司于 2017 年通过了该材料的认证，诺斯罗普将于 2019 年试飞其首个钛 3D 打印部件。

Thompson 强调了 EBM 钛增材制造带来的设计自由度和时间节省。他列举了一个原本需要 200 天交货期的零件。在使用拓扑优化技术为增材制造进行重新设计后，该部件在几周内就完成了三维打印并交付使用。改用三维打印技术还使诺斯罗普克服了传统制造方法无法解决的设计难题。

铝合金，尤其是 AlSi10Mg，也是重点关注对象，目前完全采用 LPBF 技术进行 3D 打印。未来，诺斯罗普将转而使用 CP1，这是一种由 Constellium 专门为金属增材制造开发的铝合金。CP1 具有双倍的导电性和导热性，在结构和热应用方面具有潜力。

钴镍合金也用于小金属领域的高温应用。这些材料同样使用 LPBF 生产，非常适合有效载荷和航天器环境，在这些环境中，严格控制热膨胀至关重要。

在大型金属领域，使用传统方法采购锻造环和心轴可能需要 12 到 24 个月的时间。为了加快采购速度，诺斯罗普转向了大型金属三维打印技术。这包括线材定向能沉积 (DED)、粉末定向能沉积 (DED)、线弧增材制造 (WAAM)、激光线材增材制造和增材摩擦搅拌沉积 (AFSD)。

在这些工艺中，诺斯罗普优先使用三种主要金属合金。首先是钛-6Al-4V，该公司在其 AFSD、线馈和粉末馈送工艺中都使用了这种合金。其次是铝。诺斯罗普公司将铝 7050 和 7075 优先用于 AFSD，同时还在进行激光线材开发。钛和铝材料均用于三维打印运载火箭、太空飞行器、发动机和有效载荷产品。

第三，钢主要用于 WAAM 和 DED 工具应用。汤普森指出，这在生产金属心轴方面尤其有利，因为心轴在加工过程中可以固定工件。

诺斯罗普-格鲁曼公司的 SCRAM C/C 技术

诺斯罗普内部的 SCRAM C/C 技术是其聚合物和复合材料 3D 打印战略的核心。该系统利用带有可互换工具头的机械臂。它利用连续纤维增强热塑性塑料生产高温复合材料部件。

重要的是，SCRAM C/C 可以三维打印耐高温材料，在极端环境下不会腐蚀、熔化或变形。这些聚合物部件也比金属轻，可以减轻高超音速系统的重量并提高性能。汤普森解释说："它的设计选项几乎是无限的。"他称 SCRAM C/C 为 "复合材料结构的盒装工厂"。

诺斯罗普公司正在使用 SCRAM C/C 三维打印技术为太空应用打印复杂的高强度结构，从而实现汤普森所说的 "一些非常疯狂的设计"。

在一个案例中，一次打印作业使用了三个打印头模块。其中一个 3D 打印了一层坚硬的连续纤维外皮，另一个打印了轻质蜂窝芯，第三个打印了水溶性支撑工具，一次就完成了整个复合材料部件的打印。

汤普森的公司还在探索先进的聚合物材料，包括 3D打印机制造商 Stratasys 公司生产的 ESD PEEK 和 Antero PEKK 等防静电热塑性塑料。"汤普森说："我们开始重新思考如何在航天器中使用塑料。他指出，这些材料的特性以前一直受限于注塑成型对高混合、小批量生产的限制。

诺斯罗普在空间应用方面的快速成型制造优势

汤普森透露，诺斯罗普的增材制造业务正越来越多地瞄准高价值的终端结构产品。这些产品包括用DED打印的推进坦克、LPBF射频天线和推进器、用AFSD制造的大型锻件以及用SCRAM C/C三维打印的固体火箭发动机（SRM）喷嘴。"诺斯罗普的AM专家说："我不想再制造能为项目节省5000美元的支架，而是开始制造能为项目节省50万美元的油箱。

一个航天器推进箱最初是作为演示部件设计的，在早期结果证明很有前途后，推进到了全面的性能测试。该大型部件采用吹粉 DED 技术，由 Ti-6Al-4V 单件 3D 打印而成。

汤普森解释说，这种方法避免了与传统锻件和铸件相关的供应链问题，硬点和进料线直接嵌入油箱的几何形状中。在这一应用中，快速成型制造缩短了 50% 的交付周期，降低了 30% 的成本。

该项目使用了美国制造公司和波音公司通过 GAMAT 计划开发的材料鉴定数据集。汤普森补充说，这项工作推动了整体式压力容器飞行认证的发展，特别是在满足无损评价（NDE）标准方面。

汤普森分享的另一个突出应用案例涉及用于航天器和卫星的拓扑优化蜂窝板。这些轻质结构将薄外层与蜂窝状内核搭配在一起。这种组合以最小的重量实现了高强度和刚度，是卫星底盘、外壳和天线结构的理想选择。

诺斯罗普公司的面板目前是使用AlSi10Mg进行3D打印的，该公司计划将生产转向使用LPBF的高性能CP1铝。汤普森透露，3D打印这些面板可以降低90%的成本，并提高10%的刚度或减少15%的质量。

在射频（RF）领域，诺斯罗普公司推出了3D打印射频天线馈电链，目前正在 "轨道上工作"。这些卫星部件是与射频系统供应商SWISSto12合作生产的，使用的材料是AlSi10Mg和LPBF。

这些飞行就绪组件在 GEOStar-3 商业卫星计划下交付，可减少尺寸、重量和功率需求，同时提高在轨性能。诺斯罗普公司于 2024 年 1 月完成了馈电链的鉴定，并考虑在未来使用 CP1 三维打印其他卫星硬件。

大型锻造工具，如火箭发动机壳体和喷嘴的心轴，也从诺斯罗普的增材制造中获得了巨大收益。与传统方法相比，大尺寸线材 DED 3D 打印缩短了较长的交付周期，并能创建更复杂的设计，从而加快产品开发。

汤普森承认障碍依然存在，包括非经常性工程的高成本和复杂性，以及 DED 与 LPBF 相比自动化程度较低。然而，他仍然坚信，设计灵活性的提高和供应链脆弱性的降低超过了技术难度和初期投资。

以具有凝聚力的 AM 框架为目标

为了确保各项目之间的一致性，诺斯罗普公司为增材制造资格认证创建了一个定制的内部框架，称为 SPAMRS（太空增材制造要求标准）。它借鉴了 NASA-STD-6030、AWS D20.1、MMPDS 和主要 AMS 规范，并根据弗吉尼亚航空航天制造商的需求进行了定制。

"汤普森说："它不是万能的。"[SPAMRS]使我们能够灵活地根据我们要支持的产品定制我们的鉴定流程。这一专有框架旨在减少冗余测试，方便诺斯罗普不同飞行项目的采用。

然而，Thompson 指出，这并不能消除与航空航天 3D 打印相关的数据负担。生成材料数据和代用券是一个缓慢而昂贵的过程，通常需要 18 个月，花费数百万美元。

随着添加剂设计越来越复杂，检测是另一个日益受到关注的领域。根据 Thompson 的说法，无损检测技术往往落后于它们要验证的几何形状。"一般来说，质量约占当今快速成型零件成本的一半，"Thompson 透露。

空间增材制造仍侧重于多品种、小批量生产，这给标准化带来了挑战。汤普森指出了该行业仍需克服的四大障碍：增材制造设计（DfAM）、不一致的客户要求、孤立的材料数据库以及独特的供应商流程。

诺斯罗普公司试图通过发布非竞争性材料数据和倡导提高供应商的互操作性来遏制行业的分散。汤普森说："我们希望行业内的扩散"，同时也承认统一标准和要求的迫切需要。

汤普森亲自领导了其中的一些工作，目前担任美国制造行业咨询小组（RMAG）主席。这个由行业主导的机构帮助制定美国制造的方向和战略。该小组每两周召开一次会议，每次一小时，为加快增材制造的应用和加强美国制造业的竞争力提供指导。