未来阿丽亚娜推进模块简化版

阿丽亚娜集团 | 创新故事

一体化设计 - 122 个注塑喷嘴和其他部件为一个集成组件

"关键任务"完美地描述了航空航天工业中使用的 1 级组件。数以亿计的任务都依赖于这些组件。因此，工程师们不断寻求开发具有最高质量、功能和坚固性的组件，同时简化制造链并减少单个元件的数量。得益于 EOS 增材制造技术，ArianeGroup 成功地将这一目标提升到了一个全新的高度：未来末级推进舱火箭发动机的喷射器头现在只有一个部件，而不是 248 个部件。喷射器头已被简化为一体化设计（AiO）。

“在阿丽亚娜计划中，我们将我们的创新实力与 EOS 的专业知识相结合。我们共同致力于增材制造火箭发动机喷射头。结果令人印象深刻：生产时间显著缩短，成本降低 50%。”

Dr.-Ing. Steffen Beyer | 生产技术、材料和工艺负责人 | ArianeGroup

挑战

生产火箭发动机喷射头，尽可能减少部件数量，降低单位成本

欧洲航天局（ESA）希望利用高效的运载火箭技术，在空间运输领域占据强大而独立的地位。为此，欧洲航空航天公司空中客车集团和法国赛峰集团的合资企业阿丽亚娜集团（ArianeGroup）受托建造下一代运载火箭。阿丽亚娜是一系列欧洲运载火箭，旨在将通信卫星等重型有效载荷送入环绕地球的轨道。

在推进舱中，极端条件下会产生巨大的力。这就要求在狭小的空间内实现最大程度的可靠性和精确性。喷射头是推进舱的核心部件之一，负责将混合燃料送入燃烧室。

其传统设计由 248 个部件组成，通过不同的制造步骤进行生产和组装。不同的加工步骤，如铸造、钎焊、焊接和钻孔等，可能会产生薄弱点，在极端负荷下可能会构成风险。此外，这是一个既耗时又复杂的过程。在喷射器元件领域，传统生产需要在铜套管上钻 8000 多个交叉孔，然后将铜套管精确地拧紧在 122 个喷射器元件上，以便将流经铜套管的氢气与氧气混合。

这些数据清楚地表明，将所有元件集成在一个功能集成组件中，必然是一个显而易见而又雄心勃勃的目标。这也能释放出巨大的经济潜力，减少加工步骤和生产时间，尤其是对于一级组件而言。

解决方案

通过功能集成，由单一元件而非 248 个单独部件组成的产品

这些挑战的解决方案是增材制造“使用 EOS 技术可以生产一体式喷射头，”ArianeGroup 材料与工艺生产技术主管 Steffen Beyer 博士说道，他解释了为什么工业3D 打印被选中。“只有增材制造可以将集成功能、轻量化结构、更简单的设计和更短的交付周期结合在一个组件中。”项目团队再次选择了耐热和耐腐蚀的镍基合金（IN718）作为材料。这种材料在高温下具有出色的拉伸、耐久、蠕变和断裂强度，也将与新生产技术一起使用。

"材料与工艺生产技术部 Fabian Riss 博士报告说："在成功开发出组件后，我们将注意力转向了成本效益。阿丽亚娜集团（ArianeGroup）的主要要求是缩短交付周期和降低单位成本。制造最初是通过EOS M 290 的增量工艺进行的。试验成功后，生产规模扩大到更大的EOS M 400-4系统。4 激光技术使推进模块组件的制造速度提高了四倍。"将制造工艺升级到高生产率的 EOSM 400-4系统，是我们推进阿丽亚娜项目工业化和提高竞争力的重要一步。得益于 EOS 员工的丰富经验和行业专业知识，合作得以非常高效地展开。结果不言而喻，证明了团队的出色表现"，Steffen Beyer 博士补充道。

成果

使用新喷射头生产的结果增材制造令人印象深刻：它仅由一个零件组成，而不是 248 个零件，但功能相同，并且将所需时间缩短至最短。

基于粉末床的工业3D 打印 EOS 的技术意味着可以打印 122 个喷嘴、底板和前板以及分配圆顶以及相应的氢和氧燃料进料管，作为一个集成组件。与单激光系统相比，该系统的生产率显著提高EOS M 400以 AiO 喷射头为例，4 多激光系统能够将施工时间缩短 3 倍，并将成本降低 50%。

项目团队取得了一系列额外的成功。与铸件质量相比，简化的设计和改进的材料性能使得增材制造技术能够在不损失任何强度的情况下大大减小壁厚。

重量的大幅减轻也意味着建造时间的进一步缩短，当然还有成本的降低。

最后但并非最不重要的，增材制造流程可以大大加快创新周期。结构改进、设计修改和开发阶段的测试部件制造可以根据 CAD 数据直接投入生产，而无需工程师花时间准备工具，就像铸造零件一样。工业3D 打印因此在交付周期方面实现了质的飞跃。以前每次迭代通常需要大约半年的时间，而现在一次迭代只需要几天。除此之外，整个制造链现在都在 ArianeGroup 内部展开。简而言之：任务完成！