将来のアリアン推進モジュールの簡素化

アリアングループ｜イノベーション・ストーリー

オール・イン・ワン設計 - 122個の射出ノズルとその他の部品を一体化。

「ミッション・クリティカル」は、航空宇宙産業で使用されるクラス1コンポーネントを完璧に表現しています。億単位の費用がかかるミッションは、これらの部品に依存しています。したがって、エンジニアは、製造チェーンを簡素化し、個々の要素の数を減らしながら、最高の品質、機能性、堅牢性を備えたコンポーネントを開発することを常に追求しています。EOSアディティブ・マニュファクチャリング技術のおかげで、ArianeGroupはこれをまったく新しいレベルに引き上げることに成功しました：将来の上段推進モジュールのロケットエンジンのインジェクターヘッドは、248個の部品からわずか1個の部品になりました。インジェクターヘッドは簡素化され、文字通りオールインワン（AiO）設計になりました。

「アリアン・プログラムでは、当社の革新的な強みとEOSの専門知識を組み合わせています。私たちは、ロケットエンジンのインジェクターヘッドのアディティブ・マニュファクチャリングに取り組んでいます。結果は素晴らしいものです：製造時間の大幅な短縮と50％のコスト削減です。」

Dr.-Ing. Steffen Beyer｜生産技術・材料・プロセス部門責任者｜ArianeGroup

課題

可能な限り部品点数を減らし、単価を抑えたロケットエンジン用噴射ヘッドの製造

欧州宇宙機関（ESA）は、効率的なロケット技術を用いて宇宙輸送において強力かつ独立した地位を築きたいと考えています。そのために、欧州の航空宇宙企業エアバス・グループとフランスのサフラン・グループによるジョイント・ベンチャーであるアリアン・グループが、次世代ロケットの製造を委託されました。アリアンロケットは、通信衛星などの重いペイロードを地球周回軌道に投入できるように設計された欧州のロケットシリーズです。

推進モジュールでは、過酷な条件下で莫大な力が発生します。そのため、小さなスペースで最大レベルの信頼性と精度が要求されます。インジェクションヘッドは、推進モジュールの中核要素のひとつで、混合燃料を燃焼室に送り込みます。

その伝統的な設計は248の部品から成り、様々な製造工程で製造・組み立てが行われます。鋳造、ろう付け、溶接、穴あけなど、さまざまな加工工程があるため、極端な負荷がかかると危険な弱点が生じる可能性があります。さらに、時間がかかり、複雑な工程となります。インジェクター・エレメントの分野では、従来の製造では、122個のインジェクター・エレメントに正確にネジ止めされた銅スリーブに、8,000個以上の十字穴を開け、そこから流れる水素を酸素と混合する必要がありました。

これらの数字を見れば、すべての要素を組み合わせた機能的に統合された1つの部品になれば、明白だが野心的な目標に違いないことが明らかです。これはまた、大きな経済的可能性を解放し、特にクラス1コンポーネントの場合、製造時間だけでなく、加工工程の数も削減することができます。

ソリューション

機能統合により、248個の部品から構成されるのではなく、単一の要素で構成されるアディティブ・マニュファクチャリング製品

これらの課題を解決するのがアディティブ・マニュファクチャリングです。「インジェクターヘッドの一体生産は、EOS技術で可能です」と、産業用3Dプリンティングが選ばれた理由を説明するのは、ArianeGroupの生産技術-材料・プロセス部門責任者であるDr.-Ing. Steffen Beyerです。「アディティブ・マニュファクチャリングだけが、統合された機能性、軽量構造、よりシンプルな設計、リードタイムの短縮を1つの部品で実現できるのです。プロジェクトチームは、今回も耐熱・耐腐食性のニッケル基合金（IN718）を材料として選択しました。この材料は、高温で優れた引張強度、耐久強度、クリープ強度、破壊強度を発揮し、新しい製造技術でも使用されます。

「コンポーネントの開発に成功した後、私たちはコスト効率に目を向けました」とFabian Riss 博士 - 生産技術、材料＆工程担当 - は述べています。アリアングループからの主な要求は、リードタイムと単価を削減することでした。製造は当初、EOS M 290による造形プロセスで行われました。パイロットテストが成功した後、製造はより大型のEOS M 400-4システムにスケールアップされました。4レーザー技術により、推進モジュール・コンポーネントを最大4倍の速度で製造できるようになりました。「生産性の高いEOSM 400-4システムに製造工程をスケールアップすることは、アリアン・プロジェクトの産業化と競争力を高めるための重要なステップでした。EOSスタッフの経験と業界専門知識のおかげで、コラボレーションは非常に効率的に展開されました。結果は、それ自体が物語っており、素晴らしいチーム・パフォーマンスの証明です」とSteffen Beyer博士は付け加えました。

結果

アディティブ・マニュファクチャリングを用いて製造された新しいインジェクター・ヘッドの結果は非常に印象的です。

EOSのパウダーベッドベースの産業用3Dプリンティング技術は、例えば、122個の噴射ノズル、ベースプレートとフロントプレート、水素と酸素燃料用の対応する供給パイプを備えた分配ドームを、1つの統合コンポーネントとしてプリントすることが可能であることを意味しました。シングルレーザーシステムと比較して、EOS M 400-4マルチレーザーシステムの生産性が著しく高いため、AiOインジェクターヘッドの例では、工期を3分の1に短縮し、コストを50％削減することができました。

プロジェクトチームは、さらなる成功を積み重ねることができました。設計を簡素化し、鋳造部品の品質と比較して材料特性を向上させたことで、付加製造技術により、強度を損なうことなく肉厚を大幅に減らすことができました。

重量を大幅に削減することは、工期のさらなる短縮を意味し、もちろんコスト削減にもつながります。

最後に、しかし重要な点として、アディティブ・マニュファクチャリングプロセスにより、技術革新サイクルを大幅にスピードアップできます。開発段階での構造改善、設計変更、テスト部品の製造は、鋳造部品の場合のようにエンジニアが金型の準備に時間を費やすことなく、CADデータに基づいて直接生産に移すことができます。このように、産業用3Dプリンティングは、リードタイムの点で飛躍的な進歩を遂げています。以前は1回の試行に半年ほどかかっていたのが、今では数日で済むようになります。その上、製造チェーン全体がアリアングループの社内で展開されます。一言で言えばミッション達成！