“關(guān)鍵任務(wù)組件”可貼切地描述用于航空航天行業(yè)的1類組件。耗資數(shù)億的任務(wù)由這類組件決定成敗與否。因此，工程師們持續(xù)致力于開(kāi)發(fā)品質(zhì)、功能性和堅(jiān)固性最為卓越的組件，同時(shí)簡(jiǎn)化制造鏈并減少各個(gè)組件的數(shù)量。借助EOS技術(shù)，ArianeGroup成功將其推向全新水平：Ariane 6火箭 VINCI 上面級(jí)助推器中使用的此型號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴頭從原來(lái)的 248 個(gè)組件減少為僅 1 個(gè)組件。噴嘴頭已經(jīng)簡(jiǎn)化為真正的一體化(AiO)設(shè)計(jì)。

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

面臨的挑戰(zhàn)

歐洲航天局(ESA)希望借助高效的運(yùn)載火箭技術(shù)在航天運(yùn)輸領(lǐng)域占據(jù)強(qiáng)有力的獨(dú)立地位。為此，委托歐洲航空航天公司Airbus Group與法國(guó)Safran集團(tuán)聯(lián)合成立的合資企業(yè) ArianeGroup 打造 Ariane 6。Ariane 是歐洲航天局研制的一系列運(yùn)載火箭，旨在將通信衛(wèi)星等重型有效載荷送入地球軌道。Ariane 6計(jì)劃自2025年起代替目前的5型火箭，設(shè)計(jì)的目的是以頗具競(jìng)爭(zhēng)力的成本助力歐洲進(jìn)行空間探索。為該項(xiàng)目設(shè)定的目標(biāo)為，通過(guò)消除對(duì)公共資金的需求來(lái)降低成本。項(xiàng)目的重點(diǎn)在于火箭離開(kāi)軌道后負(fù)責(zé)推進(jìn)的上面級(jí)助推器。

圖：包含122個(gè)噴油器組件的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴頭采用EOS NickelAlloy IN718材料通過(guò)增材制造技術(shù)生產(chǎn)而成。

在推進(jìn)模塊中，會(huì)在極端條件下產(chǎn)生巨大推力。這需要在較小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的可靠性和精確度。噴嘴頭是助推器的核心組件之一，負(fù)責(zé)將燃料混合物輸送入燃燒室。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該組件由248個(gè)零部件構(gòu)成，而這些零部件通過(guò)各種制造步驟生產(chǎn)、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(huì)帶來(lái)缺點(diǎn)，從而可能導(dǎo)致在極端負(fù)荷下產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。此外，生產(chǎn)如此多的零部件也是一個(gè)十分耗時(shí)的復(fù)雜過(guò)程。在噴油器組件領(lǐng)域，傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)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(gè)噴油器組件上，以便將其中流動(dòng)的氫氣與氧氣混合。這些數(shù)據(jù)清晰地表明，從風(fēng)險(xiǎn)角度來(lái)看，實(shí)現(xiàn)集所有零部件于一體的功能集成組件顯然是一項(xiàng)宏偉的目標(biāo)。特別對(duì)于1類組件，這還有助于發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)潛力，減少工藝步驟并縮短生產(chǎn)時(shí)間。

解決方案

增材制造為這些挑戰(zhàn)提供了 應(yīng)對(duì)方案?！叭粢a(chǎn)一體化 噴嘴頭，只能采用EOS技術(shù)，” ArianeGroup材料與工藝生產(chǎn)技術(shù)主管Steffen Beyer博士表示，他解釋了選擇工業(yè)3D打印技術(shù)的原因，“只有增材制造可以將集成功能、輕量化結(jié)構(gòu)、更為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)以及更短的交付周期等特性融合于單一組件中。”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(xiàn)出出色的抗拉伸性、耐用性、抗蠕變性和抗斷裂強(qiáng)度，并將與全新的生產(chǎn)技術(shù)搭配使用。

EOS M 400-4

“成功開(kāi)發(fā)出組件后，我們將我們的注意力轉(zhuǎn)向如何提高成本效益?！辈牧吓c工藝生產(chǎn)技術(shù)部門(mén)Fabian Riss博士稱。ArianeGroup的關(guān)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(guò)增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

初步試驗(yàn)成功后，采用更大型的EOS M 400-4系統(tǒng)擴(kuò)大生產(chǎn)。借助4激光器技術(shù)，推進(jìn)模塊的制造速度可達(dá)原來(lái)的四倍。“采用生產(chǎn)率較高的EOS M 400-4系統(tǒng)擴(kuò)大生產(chǎn)，是我們?yōu)樘岣逜riane 6項(xiàng)目的工業(yè)化和競(jìng)爭(zhēng)力邁出的重要一步。憑借EOS員工的豐富經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)專業(yè)知識(shí)，協(xié)作得以高效展開(kāi)。結(jié)果不言而喻，同時(shí)也有力證明了團(tuán)隊(duì)的卓越表現(xiàn)?！盨teffen Beyer 博士補(bǔ)充道。

成果

采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)出的全新噴嘴頭令人驚嘆：并非248個(gè)零部件，而僅由1個(gè)組件構(gòu)成，功能相同，但最大程度縮短了所需的時(shí)間。

借助EOS基于粉床的工業(yè)3D打印技術(shù)，可將122個(gè)噴油嘴、基板和前面板、帶有相應(yīng)進(jìn)料管的圓頂氫氣氧氣燃料輸送頭打印為單個(gè)集成組件。以AiO噴嘴頭為例，與單激光器系統(tǒng)相比，EOS M 400-4多激光器系統(tǒng)生產(chǎn)率明顯更高，可將成型時(shí)間縮短至1/4，并將成本降低50%。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還取得一系列成功。與鑄件相比，設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，材料屬性得以提升，采用增材制造技術(shù)可大幅減小壁厚，而不會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成任何損失。此外，組件重量減輕 25%，也能進(jìn)一步縮短成型時(shí)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(chuàng)新周期。開(kāi)發(fā)階段中的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、設(shè)計(jì)修改和測(cè)試件的制造均可基于CAD數(shù)據(jù)直接投入生產(chǎn)，工程師無(wú)需像鑄造零部件時(shí)那樣花時(shí)間準(zhǔn)備模具。因此，工業(yè)3D打印可大幅縮短交付周期。過(guò)去，每次更新?lián)Q代通常需要半年左右的時(shí)間，而現(xiàn)在只需要幾天。除此之外，整條制造鏈現(xiàn)已部署于ArianeGroup工廠內(nèi)部。簡(jiǎn)而言之：任務(wù)成功完成！

延伸閱讀：新的Ariane 6 Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)室采用3D打印方式生產(chǎn)