在3D打印的幫助下Ariane 6火箭發動機噴嘴頭從248個組件減少為1個

 圖片：借助 EOS 技術，ArianeGroup成功制造出采用一體化設計 (AiO) 的 Ariane 6 VINCI 上面級助推器噴嘴頭。（來源：ArianeGroup）

    “關鍵任務組件”可貼切地描述用于航空航天行業的 1 類組件。耗資數億的任務由這類組件決定成敗與否。因此，工程師們持續致力于開發品質、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量。借助 EOS 技術，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動機噴嘴頭從原來的 248 個組件減少為僅 1 個組件。噴嘴頭已經簡化為真正的一體化 (AiO) 設計。

 面臨的挑戰
      歐洲航天局 (ESA) 希望借助高效的運載火箭技術在航天運輸領域占據強有力的獨立地位。為此，委托歐洲航空航天公司 Airbus Group 與法國 Safran 集團聯合成立的合資企業 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，設計的目的是以頗具競爭力的成本助力歐洲進行空間探索。為該項目設定的目標為，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責推進的上面級助推器。

圖：包含 122 個噴油器組件的火箭發動機噴嘴頭采用 EOS NickelAlloy IN718 材料通過增材制造技術生產而成。（來源：EOS GmbH）

      在推進模塊中，會在極端條件下產生巨大推力。這需要在較小空間內實現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，負責將燃料混合物輸送入燃燒室。在傳統設計中，該組件由 248 個零部件構成，而這些零部件通過各種制造步驟生產、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，從而可能導致在極端負荷下產生風險。此外，生產如此多的零部件也是一個十分耗時的復雜過程。在噴油器組件領域，傳統的生產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。這些數據清晰地表明，從風險角度來看，實現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。特別對于 1 類組件，這還有助于發揮巨大的經濟潛力，減少工藝步驟并縮短生產時間。

 解決方案
       增材制造為這些挑戰提供了 應對方案。“若要生產一體化 噴嘴頭，只能采用 EOS 技術，” ArianeGroup 材料與工藝生產技術主管 Steffen Beyer 博士表示，他解釋了選擇工業 3D 打印技術的原因，“只有增材制造可以將集成功能、輕量化結構、更為簡單的設計以及更短的交付周期等特性融合于單一組件中。”項目團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，并將與全新的生產技術搭配使用。

    “成功開發出組件后，我們將我們的注意力轉向如何提高成本效益。”材料與工藝生產技術部門 Fabian Riss博士稱。ArianeGroup的關鍵需求是縮短交付周期并降低單位成本。最初，采用 EOS M 290 通過增材制造技術進行生產。

     初步試驗成功后，采用更大型的 EOS M 400-4 系統擴大生產。借助 4 激光器技術，推進模塊的制造速度可達原來的四倍。“采用生產率較高的 EOS M 400-4 系統擴大生產，是我們為提高 Ariane 6 項目的工業化和競爭力邁出的重要一步。憑借 EOS 員工的豐富經驗和行業專業知識，協作得以高效展開。結果不言而喻，同時也有力證明了團隊的卓越表現。”Steffen Beyer 博士補充道。

 成果
      采用增材制造技術生產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 3D 打印技術，可將 122 個噴油嘴、基板和前面板、帶有相應進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，與單激光器系統相比，EOS M 400-4 多激光器系統生產率明顯更高，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，設計得以簡化，材料屬性得以提升，采用增材制造技術可大幅減小壁厚，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新周期。開發階段中的結構改進、設計修改和測試件的制造均可基于 CAD 數據直接投入生產，工程師無需像鑄造零部件時那樣花時間準備模具。因此，工業 3D 打印可大幅縮短交付周期。過去，每次更新換代通常需要半年左右的時間，而現在只需要幾天。除此之外，整條制造鏈現已部署于 ArianeGroup 工廠內部。簡而言之：任務成功完成！

來源：EOS