被稱為激光選區(qū)熔化的3D打印工藝為金屬零部件的增材制造提供了廣泛的可能性。
相比傳統(tǒng)制造方式而言，使用增材制造所生產(chǎn)的零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)將更為堅固，重量也更輕。而增材制造進一步的優(yōu)勢是將原本多個組件集成到一個組件當中，這種功能集成和較少的后處理工作量可以在整個制造過程中節(jié)省大量的成本。
CellCore公司將激光選區(qū)熔化技術的優(yōu)勢巧妙的應用于航空航天工業(yè)，正如此次的火箭引擎案例，通過與SLM Solutions的密切合作，使用鎳基高溫合金進行3D打印，成功實現(xiàn)了多功能推力室的一體化成型。
由CellCore公司和SLM Solutions公司生產(chǎn)的火箭引擎由推力室、帶燃燒室壁的液體推進劑發(fā)動機核心部件、燃料入口和帶氧化劑入口的噴射頭組成。燃燒室里的化學反應產(chǎn)生氣體，由于熱的積聚而膨脹，然后以巨大的力量噴射出來。因此，驅(qū)動火箭所需的推力是利用反沖產(chǎn)生的。
在燃燒過程中，燃燒室會產(chǎn)生極高的溫度，因此必須冷卻壁面以防止其燃燒。
為了達到這一目的，液體燃料(如煤油或氫)通過燃燒室壁上的冷卻管道向上輸送，然后進入噴油頭。在那里，燃料與氧化劑混合，并由火花塞點燃。
而在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中，冷卻管道是通過在毛坯上鉆孔，隨后再通過多個繁瑣的工作步驟進行密封得來。
使用激光選區(qū)熔化技術時，冷卻管道將直接作為設計中的一部分，并在同一生產(chǎn)過程中與整個腔體一起成型。
由于火箭引擎的復雜性，使用傳統(tǒng)制造工藝不僅成本高昂工序繁瑣，整個生產(chǎn)過程至少需要半年的時間。
而在3D打印的火箭引擎中，CellCore展示了SLM®技術為航空航天工業(yè)提供的可能性，整個打印過程僅需要不到5個工作日的時間，同時還得到了一個經(jīng)過優(yōu)化和改進的一體化組件。
一體化的火箭推進引擎，結(jié)合噴射器和推力室，將眾多的單個部件簡化為一個，只有通過激光選區(qū)熔化工藝才能實現(xiàn)多功能集成的輕量化結(jié)構(gòu)。
CellCore公司所開發(fā)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遍布整個火箭引擎，不能使用傳統(tǒng)工藝制造。它不僅適用于傳熱，而且提高了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這個設計的冷卻性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)設計，例如集中作用的直角冷卻管道，保障并優(yōu)化了大量使用直角設計和整體穩(wěn)定性之間的平衡關系，在提高表面反應率的同時也降低了電流電阻，大幅提升了引擎的整體效率。
而另一方面，由于將眾多額外的功能集于一身，省去了不必要的組件，加之輕量化設計的優(yōu)勢，整個火箭引擎的重量也比傳統(tǒng)產(chǎn)品要輕很多。
SLM Solutions公司與CellCore公司的合作在項目的準備階段就已開始，通過反復的溝通、確認及優(yōu)化，確保成功制造出這類高度復雜的組件。
SLM Solutions技術支持團隊針對這種特殊的幾何結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)開發(fā)，重點對下表面粗糙度進行了優(yōu)化。
在隨后的深入交流中，SLM Solutions的應用工程團隊又對零件的擺放方式給出了專業(yè)建議，并對零件的關鍵部位進行了確認及測試，保障零件的各項性能達到最高標準。
為了滿足航空航天工業(yè)對材料的高要求，火箭引擎最終使用鎳基高溫合金 IN718在SLM®280激光選區(qū)熔化設備上進行生產(chǎn)。
聯(lián)系電話：135 2207 9385
IN718是一種沉積硬化的鎳鉻合金，在700℃的環(huán)境下仍具有良好的抗拉、抗疲勞、抗蠕變和抗斷強度，是飛機和燃氣輪機部件以及許多其他高溫應用的重要材料，其中也包括火箭推進引擎。
使用傳統(tǒng)工藝加工時，硬質(zhì)材料加工難度大，刀具磨損嚴重。但是使用增材制造技術則無需擔心此類問題，金屬粉末將被直接熔化并成型為任意幾何形狀。
該引擎是使用SLM Solutions公司的SLM®280激光選區(qū)熔化設備制造的。SLM®280生產(chǎn)系列提供了一個280×280×365mm的成型艙和專利的多激光技術。它配備了一個粉末供應系統(tǒng)(PSV)，不再需要使用粉瓶灌裝粉末進行填充原料。在將粉末送入設備之前，粉末經(jīng)由集成的超聲波篩粉系統(tǒng)對其進行處理，確保不會有過大的顆粒或異物進入SLM®過程。PSV和SLM®設備之間的粉末由保護氣流進行全自動化輸送。在打印工作完成后，首先清理并回收粉末，然后將零件連同基板取出。最后，根據(jù)零件要求進行相應的熱處理及線切割，并將多余的支撐結(jié)構(gòu)去除。
盡管該引擎的結(jié)構(gòu)復雜，但后處理量卻是最小化的，盡可能的避免了刀具磨損。SLM®技術通過減少昂貴、耗時的制造步驟和簡化火箭引擎結(jié)構(gòu)節(jié)省了可觀的成本。激光選區(qū)熔化為航空航天公司提供了一個機會，在保障卓越質(zhì)量要求的同時，通過增加火箭系統(tǒng)的功能，運用輕量化設計和大幅縮短的開發(fā)、測試和生產(chǎn)周期，來提高自己的競爭地位。
CellCore GmbH的常務董事安德烈亞斯•克魯格(Andreas Kruger)對此深信不疑：
“這項概念研究顯示，增材制造在航空航天領域和其他行業(yè)都具有巨大的潛力。我們對SLM®技術的可能性感到印象深刻，當看到由SLM®技術生產(chǎn)的具有高精度、高質(zhì)量、多功能集成的冷卻結(jié)構(gòu)時，這個印象也變得更為深刻了。我們目前正在按照此項目中展現(xiàn)的各項原則開展相關工作，這將為航空發(fā)動機或渦輪組件帶來巨大的附加值，例如實現(xiàn)溫度可控等方面。”
