德國航天中心與3D Systems攜手設(shè)計液體火箭發(fā)動機噴射器

SMILE項目的發(fā)動機噴射器，通過金屬3D打印設(shè)計，獲得了優(yōu)異的混合燃燒效率、達到輕質(zhì)特點且部件數(shù)量經(jīng)過整合后顯著減少，30個零散部件整合為一個整體性部件

挑戰(zhàn)：
為小型衛(wèi)星運載火箭設(shè)計制造可重復使用的液體火箭發(fā)動機噴射器

解決方案：
3D Systems魯汶客戶創(chuàng)新中心基于對增材制造豐富的設(shè)計經(jīng)驗，使用金屬3D打印機ProX DMP 320和一種適用于高溫應(yīng)用的鎳鉻基超耐熱合金LaserForm® Ni718 (A)達成德國航天中心要求。

成果：
· 優(yōu)化零件特性以提高性能
· 將噴射頭部件從30個零散部件整合為1個部件
· 將噴射頭部件重量降低10%

歐盟地平線2020計劃中有個項目名為”歐洲SMall創(chuàng)新發(fā)射器“(也就是SMILE項目)， 旨在設(shè)計一種小型衛(wèi)星運載火箭，將小型衛(wèi)星(最多達150千克)送入與太陽同步的軌道。位于德國斯圖加特的德國航天中心結(jié)構(gòu)與設(shè)計研究所是14個參與項目的組織之一，并負責開發(fā)SMILE項目。該研究所對液體推進系統(tǒng)的關(guān)注是基于系統(tǒng)翻新和再利用的潛力，由此為小型衛(wèi)星發(fā)射器提供更具成本效益的解決方案。

鑒于液氧/煤油發(fā)動機噴射頭部件的高度復雜性，德國航天中心DLR與3D Systems客戶創(chuàng)新中心CIC合作，設(shè)計了一個3D打印噴射器，以此來實現(xiàn)新性能。3D Systems公司魯汶中心是全球四個致力于加速先進應(yīng)用的中心之一，為客戶提供開發(fā)、驗證和商業(yè)化產(chǎn)品所需的資源。

德國航天中心決定采用3D打印噴射頭，他們利用增材制造的關(guān)鍵優(yōu)勢，包括采用整體式設(shè)計來減少零件數(shù)量以及利用集成關(guān)鍵功能，如冷卻流道，以此來更好的整體推進系統(tǒng)的性能。

通過金屬3D打印的噴射頭將30個零散部件整合為1個整體式部件，并減重10%

馬庫斯·庫恩和伊利亞·穆勒在德國航天中心管理噴射頭項目，他們表示因為3D Systems的金屬打印在航空航天領(lǐng)域有成功的應(yīng)用，所以他們此次選擇3D Systems作為合作伙伴。庫恩提到：“基于DMP金屬打印技術(shù)在航空方面的成功，我們認為3D Systems非常適合提供噴射頭的設(shè)計到制造，可以挖掘傳感器集成、燃料和冷卻劑分配的新可能性�！�

火箭發(fā)動機的噴射器是燃料和氧化劑進入燃燒室的部分。成功的液體火箭燃料噴射器以特定方式推動部件，確保其霧化和適當混合，產(chǎn)生移動火箭所需的燃燒。

3D Systems的項目工程師科恩·惠特表示，德國航天中心設(shè)想的液體燃料噴射頭包含幾個性能都需要通過DMP打印技術(shù)才能辦到:”優(yōu)化性能和冷卻功能、壓力和溫度傳感器通道

的復雜設(shè)計和簡化裝配和保持生產(chǎn)的一致性和可重復性，這一切都需要ProX® DMP 320�！�

對3D打印噴射頭進行熱火試驗，顯示其具有良好的混合和燃燒效率

DMP金屬打印可以幫助德國航天中心達成以下目標:
· 通過燃料和冷卻劑分配的新可能性，優(yōu)化零件性能
· 易于實現(xiàn)三維路徑壓力和溫度傳感器通道
· 消除中間生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)
· 不受傳統(tǒng)制造方法的限制，獨立地優(yōu)化熱、質(zhì)量和水力性能
· 避免裝配故障點，提高整體設(shè)計的質(zhì)量
· 減少加工步驟，生產(chǎn)集成度高的多功能噴射器

通過使用金屬3D打印，航空航天中心能夠徹底改變同軸噴射器的設(shè)計方法，無需多個組件，顯著降低生產(chǎn)時間和成本。零件數(shù)量從30減少到1有助于最終減重10%，并消除了緊固處已知的故障點，有利于減少相關(guān)的質(zhì)量管控措施，提升了系統(tǒng)性能。

用精密金屬打印整合部件

3D Systems的應(yīng)用工程師使用3DXpert軟件來準備噴射頭的文件進行打印。3DXpert是一款全方位的軟件，涵蓋了整個金屬增材制造過程。3D Systems進行打印前準備工作，從而可以方便一處后處理眾多粉末，同時還進行適印性檢查，以便確保打印過程不會出現(xiàn)狀況。

德國航天中心火箭噴射器的最終部件通過3D Systems的金屬打印機ProX DMP 320進行打印，使用的材料是LaserForm® Ni718 (A), 一種抗氧化和耐腐蝕的鉻鎳鐵合金。這種材料具有良好的抗拉強度、耐疲勞性、抗蠕變性和持久強度，即使溫度達到700˚c，是高溫應(yīng)用的理想選擇。

噴油器頭內(nèi)部的一個視圖顯示了金屬3D打印所啟用的復雜性

打印完成后，3D Systems的團隊對零件進行熱處理以緩解應(yīng)力，并使用放電加工(EDM)將零件從成型平臺上移除。

無模生產(chǎn)加速設(shè)計周期

通過DMP技術(shù)，航天中心能夠快速集成和探索設(shè)計更改，無需耗時制作模具。這種能力對德國航天中心的設(shè)計周期至關(guān)重要，因為它在第一階段設(shè)計和測試噴射頭原型時只面臨幾個星期的準備時間。

庫恩和穆勒表示：“Prox DMP 320和3D Systems豐富的設(shè)計知識使得我們能夠在更短的時間內(nèi)測試更多的設(shè)計方案�！�

金屬3D打印幫助航空航天中心采用同軸噴射技術(shù)和雙旋流噴射器元件，優(yōu)化噴射頭的氧化劑和燃料混合。采用了兩種不同的冷卻方案，每一種都采用最小特征尺寸為0.2毫米、最大長度/直徑比為45的細通道。該設(shè)計還集成了噴射頭的鋪膜特性，使工程師能夠直接調(diào)整噴油器處的膜質(zhì)量流量。

更經(jīng)濟的成本獲得更好的性能

噴射頭流量：藍色=液化氧;橙色=煤油;紅色=薄膜層;綠色=蒸騰冷卻

航天中心通過直接將冷卻劑分配系統(tǒng)與噴射器集成，使性能有所提升，工程師能夠?qū)嵤┎ⅹ毩⒖刂票诿姘l(fā)汗和氣膜冷卻技術(shù)。當在噴射器內(nèi)使用時，在燃燒室內(nèi)熱的一側(cè)形成冷卻劑膜，以保護壁面結(jié)構(gòu)不受高熱通量的影響。這種系統(tǒng)被認為比傳統(tǒng)的再生冷卻更容易制造和經(jīng)濟。

與陶瓷纖維基復合材料(CMCS)等復雜的陶瓷材料結(jié)合一起，航天中心和3D Systems開發(fā)的設(shè)計和制造方法有可能支持為了噴射頭開發(fā)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)被多次重復使用，并將技術(shù)轉(zhuǎn)移到其他應(yīng)用中。

帶有3D打印噴射頭和陶瓷燃燒室的液化氧/煤油火箭噴射器裝置

為了評估新的設(shè)計，德國航天中心對內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬，以估計每種推進劑的燃料分布和進給線的相關(guān)壓力損失。隨后的冷流試驗表明，數(shù)值和實驗測量數(shù)據(jù)之間有良好的相關(guān)性。在西班牙的PLD Space(SMILE項目的合作伙伴)對最終3D打印噴射頭進行的熱火測試表明，與航空中心設(shè)計的火箭推力室組件相結(jié)合后，具有良好的混合和燃燒效率。

展望未來，金屬打印支持的新設(shè)計和制造工藝將繼續(xù)支持更復雜的幾何結(jié)構(gòu)，通過減少生產(chǎn)步驟來加快上市時間，優(yōu)化材料和零件的使用，不斷改進性能，提高結(jié)構(gòu)完整性以延長噴射頭的使用壽命。

穆勒表示:” 我們認為可以肯定地說，與傳統(tǒng)方法制造的先進的同等零件相比，3D打印噴射頭的集成功能更優(yōu)越，生產(chǎn)時間和成本也更低�！�

航空航天領(lǐng)域的金屬增材制造

金屬3D打印已經(jīng)成為航空和航空航天領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)，因為它的優(yōu)勢與該行業(yè)的關(guān)鍵需求保持一致，包括減輕重量、節(jié)省燃料、提高運營效率、部件整合、加速上市時間和減少對零部件的存儲要求。

最近的項目已經(jīng)證明3D Systems的DMP金屬3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的有效性：
· 第一臺3D打印射頻(RF)濾波器經(jīng)過測試和驗證，可用于商業(yè)通信衛(wèi)星。空中客車防務(wù)及航天公司的新過濾器比以前的設(shè)計減少了50%的重量.
· 泰雷茲阿萊尼亞宇航公司與3D Systems合作，鈦支架減重25%，比傳統(tǒng)方法制造具有更好的剛度-重量比
· 在歐洲航天局(ESA)的一個項目中制造的發(fā)動機部件，做到了減輕重量，簡化裝配，加速制造，并使后期設(shè)計更容易適應(yīng)
· 一種經(jīng)過拓撲優(yōu)化的飛機支架，重量減少70%，滿足GE航空所有功能要求

來源：Systems