德國(guó)航天中心與3D Systems攜手設(shè)計(jì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器

SMILE項(xiàng)目的發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器，通過(guò)金屬3D打印設(shè)計(jì)，獲得了優(yōu)異的混合燃燒效率、達(dá)到輕質(zhì)特點(diǎn)且部件數(shù)量經(jīng)過(guò)整合后顯著減少，30個(gè)零散部件整合為一個(gè)整體性部件

挑戰(zhàn)：
為小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)制造可重復(fù)使用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器

解決方案：
3D Systems魯汶客戶創(chuàng)新中心基于對(duì)增材制造豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使用金屬3D打印機(jī)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(dá)成德國(guó)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(gè)零散部件整合為1個(gè)部件
· 將噴射頭部件重量降低10%

歐盟地平線2020計(jì)劃中有個(gè)項(xiàng)目名為”歐洲SMall創(chuàng)新發(fā)射器“(也就是SMILE項(xiàng)目)， 旨在設(shè)計(jì)一種小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭，將小型衛(wèi)星(最多達(dá)150千克)送入與太陽(yáng)同步的軌道。位于德國(guó)斯圖加特的德國(guó)航天中心結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)研究所是14個(gè)參與項(xiàng)目的組織之一，并負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)SMILE項(xiàng)目。該研究所對(duì)液體推進(jìn)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(dòng)機(jī)噴射頭部件的高度復(fù)雜性，德國(guó)航天中心DLR與3D Systems客戶創(chuàng)新中心CIC合作，設(shè)計(jì)了一個(gè)3D打印噴射器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)新性能。3D Systems公司魯汶中心是全球四個(gè)致力于加速先進(jìn)應(yīng)用的中心之一，為客戶提供開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證和商業(yè)化產(chǎn)品所需的資源。

德國(guó)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(shì)，包括采用整體式設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)更好的整體推進(jìn)系統(tǒng)的性能。

通過(guò)金屬3D打印的噴射頭將30個(gè)零散部件整合為1個(gè)整體式部件，并減重10%

馬庫(kù)斯·庫(kù)恩和伊利亞·穆勒在德國(guó)航天中心管理噴射頭項(xiàng)目，他們表示因?yàn)?D 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(kù)恩提到：“基于DMP金屬打印技術(shù)在航空方面的成功，我們認(rèn)為3D Systems非常適合提供噴射頭的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的噴射器是燃料和氧化劑進(jìn)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(dòng)部件，確保其霧化和適當(dāng)混合，產(chǎn)生移動(dòng)火箭所需的燃燒。

3D Systems的項(xiàng)目工程師科恩·惠特表示，德國(guó)航天中心設(shè)想的液體燃料噴射頭包含幾個(gè)性能都需要通過(guò)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(fù)雜設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化裝配和保持生產(chǎn)的一致性和可重復(fù)性，這一切都需要ProX® DMP 320�！�

對(duì)3D打印噴射頭進(jìn)行熱火試驗(yàn)，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(guó)航天中心達(dá)成以下目標(biāo):
· 通過(guò)燃料和冷卻劑分配的新可能性，優(yōu)化零件性能
· 易于實(shí)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(dú)立地優(yōu)化熱、質(zhì)量和水力性能
· 避免裝配故障點(diǎn)，提高整體設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)方法，無(wú)需多個(gè)組件，顯著降低生產(chǎn)時(shí)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(diǎn)，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(lái)準(zhǔn)備噴射頭的文件進(jìn)行打印。3DXpert是一款全方位的軟件，涵蓋了整個(gè)金屬增材制造過(guò)程。3D Systems進(jìn)行打印前準(zhǔn)備工作，從而可以方便一處后處理眾多粉末，同時(shí)還進(jìn)行適印性檢查，以便確保打印過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)狀況。

德國(guó)航天中心火箭噴射器的最終部件通過(guò)3D Systems的金屬打印機(jī)ProX DMP 320進(jìn)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(qiáng)度、耐疲勞性、抗蠕變性和持久強(qiáng)度，即使溫度達(dá)到700˚c，是高溫應(yīng)用的理想選擇。

噴油器頭內(nèi)部的一個(gè)視圖顯示了金屬3D打印所啟用的復(fù)雜性

打印完成后，3D Systems的團(tuán)隊(duì)對(duì)零件進(jìn)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(tái)上移除。

無(wú)模生產(chǎn)加速設(shè)計(jì)周期

通過(guò)DMP技術(shù)，航天中心能夠快速集成和探索設(shè)計(jì)更改，無(wú)需耗時(shí)制作模具。這種能力對(duì)德國(guó)航天中心的設(shè)計(jì)周期至關(guān)重要，因?yàn)樗�在第一階段設(shè)計(jì)和測(cè)試噴射頭原型時(shí)只面臨幾個(gè)星期的準(zhǔn)備時(shí)間。

庫(kù)恩和穆勒表示：“Prox DMP 320和3D Systems豐富的設(shè)計(jì)知識(shí)使得我們能夠在更短的時(shí)間內(nèi)測(cè)試更多的設(shè)計(jì)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(zhǎng)度/直徑比為45的細(xì)通道。該設(shè)計(jì)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(jì)的成本獲得更好的性能

噴射頭流量：藍(lán)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(guò)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?dú)立控制壁面發(fā)汗和氣膜冷卻技術(shù)。當(dāng)在噴射器內(nèi)使用時(shí)，在燃燒室內(nèi)熱的一側(cè)形成冷卻劑膜，以保護(hù)壁面結(jié)構(gòu)不受高熱通量的影響。這種系統(tǒng)被認(rèn)為比傳統(tǒng)的再生冷卻更容易制造和經(jīng)濟(jì)。

與陶瓷纖維基復(fù)合材料(CMCS)等復(fù)雜的陶瓷材料結(jié)合一起，航天中心和3D Systems開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)和制造方法有可能支持為了噴射頭開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)被多次重復(fù)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(píng)估新的設(shè)計(jì)，德國(guó)航天中心對(duì)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以估計(jì)每種推進(jìn)劑的燃料分布和進(jìn)給線的相關(guān)壓力損失。隨后的冷流試驗(yàn)表明，數(shù)值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)之間有良好的相關(guān)性。在西班牙的PLD Space(SMILE項(xiàng)目的合作伙伴)對(duì)最終3D打印噴射頭進(jìn)行的熱火測(cè)試表明，與航空中心設(shè)計(jì)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(lái)，金屬打印支持的新設(shè)計(jì)和制造工藝將繼續(xù)支持更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，通過(guò)減少生產(chǎn)步驟來(lái)加快上市時(shí)間，優(yōu)化材料和零件的使用，不斷改進(jìn)性能，提高結(jié)構(gòu)完整性以延長(zhǎng)噴射頭的使用壽命。

穆勒表示:” 我們認(rèn)為可以肯定地說(shuō)，與傳統(tǒng)方法制造的先進(jìn)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(shí)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樗�的�?yōu)勢(shì)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(yùn)營(yíng)效率、部件整合、加速上市時(shí)間和減少對(duì)零部件的存儲(chǔ)要求。

最近的項(xiàng)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(tái)3D打印射頻(RF)濾波器經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，可用于商業(yè)通信衛(wèi)星�？罩锌蛙嚪绖�(wù)及航天公司的新過(guò)濾器比以前的設(shè)計(jì)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(gè)項(xiàng)目中制造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，做到了減輕重量，簡(jiǎn)化裝配，加速制造，并使后期設(shè)計(jì)更容易適應(yīng)
· 一種經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的飛機(jī)支架，重量減少70%，滿足GE航空所有功能要求

來(lái)源：Systems