借助3D打印，Ariane 6火箭發(fā)動機噴嘴頭組件數(shù)量從248驟減至1

“關(guān)鍵任務(wù)組件”可貼切地描述用于航空航天行業(yè)的 1 類組件。耗資數(shù)億的任務(wù)由這類組件決定成敗與否。因此，工程師們持續(xù)致力于開發(fā)品質(zhì)、功能性和堅固性最為卓越的組件，同時簡化制造鏈并減少各個組件的數(shù)量。借助 EOS 技術(shù)，ArianeGroup成功將其推向全新水平：Ariane 6 火箭 VINCI 上面級助推器中使用的此型號火箭發(fā)動機噴嘴頭組件數(shù)量從原先的248個驟降至僅1個。噴嘴頭已經(jīng)簡化為真正的一體化 (AiO) 設(shè)計。

· 面臨的挑戰(zhàn)
歐洲航天局 (ESA) 希望借助高效的運載火箭技術(shù)在航天運輸領(lǐng)域占據(jù)強有力的獨立地位。為此，委托歐洲航空航天公司 Airbus Group 與法國 Safran 集團聯(lián)合成立的合資企業(yè) ArianeGroup 打造 Ariane 6。Ariane 是歐洲航天局研制的一系列運載火箭，旨在將通信衛(wèi)星等重型有效載荷送入地球軌道。Ariane 6 計劃自 2025 年起代替目前的 5 型火箭，設(shè)計的目的是以頗具競爭力的成本助力歐洲進(jìn)行空間探索。為該項目設(shè)定的目標(biāo)為，通過消除對公共資金的需求來降低成本。項目的重點在于火箭離開軌道后負(fù)責(zé)推進(jìn)的上面級助推器。

▲含122個噴油器組件的火箭發(fā)動機噴嘴頭，采用EOS NickelAlloy IN718材料3D打印而成

在推進(jìn)模塊中，會在極端條件下產(chǎn)生巨大推力。這需要在較小空間內(nèi)實現(xiàn)最高級別的可靠性和精確度。噴嘴頭是助推器的核心組件之一，負(fù)責(zé)將燃料混合物輸送入燃燒室。在傳統(tǒng)設(shè)計中，該組件由 248 個零部件構(gòu)成，而這些零部件通過各種制造步驟生產(chǎn)、裝配而成。采用鑄造、銅焊、焊接與鉆孔等不同的工藝步驟可能會帶來缺點，從而可能導(dǎo)致在極端負(fù)荷下產(chǎn)生風(fēng)險。此外，生產(chǎn)如此多的零部件也是一個十分耗時的復(fù)雜過程。在噴油器組件領(lǐng)域，傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程需要在銅套管中鉆出 8000 余十字孔，然后用螺釘將銅套管精確地固到 122 個噴油器組件上，以便將其中流動的氫氣與氧氣混合。這些數(shù)據(jù)清晰地表明，從風(fēng)險角度來看，實現(xiàn)集所有零部件于一體的功能集成組件顯然是一項宏偉的目標(biāo)。特別對于 1 類組件，這還有助于發(fā)揮巨大的經(jīng)濟潛力，減少工藝步驟并縮短生產(chǎn)時間。

· 解決方案
增材制造為這些挑戰(zhàn)提供了 應(yīng)對方案�！叭粢�生產(chǎn)一體化 噴嘴頭，只能采用 EOS 技術(shù)，” ArianeGroup 材料與工藝生產(chǎn)技術(shù)主管 Steffen Beyer 博士表示，他解釋了選擇工業(yè) 3D 打印技術(shù)的原因，“只有增材制造可以將集成功能、輕量化結(jié)構(gòu)、更為簡單的設(shè)計以及更短的交付周期等特性融合于單一組件中�！表椖繄F隊再次選擇了耐高溫、耐腐蝕的鎳基合金 (IN718) 材料。材料在高溫下可呈現(xiàn)出出色的抗拉伸性、耐用性、抗蠕變性和抗斷裂強度，并將與全新的生產(chǎn)技術(shù)搭配使用。

▲EOS M 400-4

“成功開發(fā)出組件后，我們將我們的注意力轉(zhuǎn)向如何提高成本效益�！辈牧吓c工藝生產(chǎn)技術(shù)部門 Fabian Riss博士稱。ArianeGroup的關(guān)鍵需求是縮短交付周期并降低單位成本。最初，采用 EOS M 290 通過增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

初步試驗成功后，采用更大型的 EOS M 400-4 系統(tǒng)擴大生產(chǎn)。借助 4 激光器技術(shù)，推進(jìn)模塊的制造速度可達(dá)原來的四倍�！安捎蒙�產(chǎn)率較高的 EOS M 400-4 系統(tǒng)擴大生產(chǎn)，是我們?yōu)樘岣?Ariane 6 項目的工業(yè)化和競爭力邁出的重要一步。憑借 EOS 員工的豐富經(jīng)驗和行業(yè)專業(yè)知識，協(xié)作得以高效展開。結(jié)果不言而喻，同時也有力證明了團隊的卓越表現(xiàn)。”Steffen Beyer 博士補充道。


· 成果
采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)出的全新噴嘴頭令人驚嘆：并非 248 個零部件，而僅由 1 個組件構(gòu)成，功能相同，但最大程度縮短了所需的時間。
借助 EOS 基于粉床的工業(yè) 3D 打印技術(shù)，可將 122 個噴油嘴、基板和前面板、帶有相應(yīng)進(jìn)料管的圓頂氫氣氧氣燃料輸送頭打印為單個集成組件。以 AiO 噴嘴頭為例，與單激光器系統(tǒng)相比，EOS M 400-4 多激光器系統(tǒng)生產(chǎn)率明顯更高，可將成型時間縮短至 1/4，并將成本降低 50%。
項目團隊還取得一系列成功。與鑄件相比，設(shè)計得以簡化，材料屬性得以提升，采用增材制造技術(shù)可大幅減小壁厚，而不會對強度造成任何損失。此外，組件重量減輕 25%，也能進(jìn)一步縮短成型時間，從而降低成本。

最后但同樣重要的是，增材制造工藝可大幅加快創(chuàng)新周期。開發(fā)階段中的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、設(shè)計修改和測試件的制造均可基于 CAD 數(shù)據(jù)直接投入生產(chǎn)，工程師無需像鑄造零部件時那樣花時間準(zhǔn)備模具。因此，工業(yè) 3D 打印可大幅縮短交付周期。過去，每次更新?lián)Q代通常需要半年左右的時間，而現(xiàn)在只需要幾天。除此之外，整條制造鏈現(xiàn)已部署于 ArianeGroup 工廠內(nèi)部。簡而言之：任務(wù)成功完成！

來源：3D科學(xué)谷