NASA正开展数字孪生预测增材制造航天部件性能的项目

在航天探索中，为火箭和卫星快速生产定制化零部件，是支撑设计迭代、维修及满足航天飞行中运营需求的关键能力。面对极端环境对部件性能的严苛要求，增材制造技术凭借快速响应复杂结构制造需求的特性而成为有效的解决方案。

确保3D打印零部件在复杂工况下的质量与可靠性，始终是行业关注的核心。在传统制造模式下，零部件的质量鉴定通常依赖于大量物理测试和经验积累，需要经过多次设计、制造和测试循环才能最终定型。这种模式不仅周期长、成本高，更重要的是，由于缺乏对材料微观结构和疲劳演化机理的精确预测手段，新部件在极端环境下的长期性能难以在设计阶段被充分掌握。

在此背景下，数字孪生技术展现出重要价值。数字孪生技术通过构建基于物理机制的高保真计算机模型，将增材制造零部件的微观结构演化与疲劳损伤机理集成于模拟框架之中，从而实现对部件全生命周期性能精准预测。数字孪生技术为未来的增材制造零部件鉴定与认证流程提供新的方法论支撑，有望从根本上缩短航天部件的研发周期，降低研发成本并提高质量。

3D科学谷聚焦

通过高复杂度增材制造零件推进数字孪生模型开发

根据3D科学谷的市场观察，NASA空间技术研究所 —— 基于模型的增材制造鉴定与认证研究所（IMQCAM），正在开展一项旨在将数字孪生技术变为现实的前沿探索。

该研究所成立于2023年，由美国国家航空航天局资助、卡内基梅隆大学与约翰斯·霍普金斯大学联合领导。他们的核心目标是开发一套能够精准预测航天部件疲劳性能的数字孪生模型，并将其嵌入未来的鉴定与认证流程。

研究团队通过EOS M290 L-PBF设备3D打印的复杂部件。

由于数字孪生模型的准确性必须经过严苛的实物验证。因此，研究团队采取了一种策略性的验证方法：他们制造一个极具代表性的高复杂度的增材制造部件作为“挑战件”，以此为标尺来检验和完善尚在开发中的数字模型。

据了解，这一部件由项目合作伙伴普惠公司提供设计，具备航空航天发动机零部件的典型特征，设计复杂且需耐受高温载荷，是检验模型预测能力的理想对象。

物理与数字的闭环：从实物测试到模型校准

卡内基梅隆大学团队负责增材制造工艺环节，他们利用标准钛合金成功完成了该挑战件的首轮3D打印。随后，这一实物部件将经历一系列机械加载、高温环境及疲劳测试，以获取其在真实工况下的性能数据。与此同时，约翰斯·霍普金斯大学团队开发的基于物理机制的多尺度计算机模型，则将在数字空间中对同一部件进行性能与寿命的模拟预测。

通过将实物测试数据与数字模型的预测结果进行精确对比，研究团队能够系统评估并校准模型的准确性。

在测试平台上露出的完整打印部件。

项目负责人强调，核心关注点在于产品的一致性，最终的考验在于证明模型能够适用于预测具有实际复杂度的增材制造部件。将基于物理的建模与人工智能/机器学习（ML）及不确定性量化方法进行稳健融合，则为构建一个能够应对这一挑战的数字孪生平台奠定了基础。

3D打印部件俯视图，展示了用于测试数字孪生建模及疲劳性能的设计。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

持续迭代：迈向更复杂材料与工艺的验证

根据3D科学谷的了解，目前，研究团队已将首个版本的钛合金增材制造复杂部件进行验证。研究人员将通过干涉测量等非接触测量手段，对部件的外部质量、残余应力影响及热处理后的性能进行全面分析。团队计划后续在更多样化的工艺条件下，3D打印该部件的多个迭代版本，并将使用镍基高温合金Inconel 718材料增材制造这款部件。随着验证工作的深入，这一数字孪生模型将不断吸收来自实物测试的数据反馈，逐步完善其对航天部件性能的预测能力。

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