3D打印的火箭引擎一體化推力室

來源：MM現(xiàn)代金屬加工

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(jiān)固,，重量也更輕。而增材制造進(jìn)一步的優(yōu)勢是將原本多個(gè)組件集成到一個(gè)組件當(dāng)中,，這種功能集成和較少的后處理工作量可以在整個(gè)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(shù)的優(yōu)勢巧妙的應(yīng)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(jìn)行3D打印，成功實(shí)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(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)反應(yīng)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(dòng)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(huì)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(dá)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(jìn)入噴油頭,。在那里，燃料與氧化劑混合,，并由火花塞點(diǎn)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(gè)繁瑣的工作步驟進(jìn)行密封得來。

使用激光選區(qū)熔化技術(shù)時(shí),，冷卻管道將直接作為設(shè)計(jì)中的一部分,，并在同一生產(chǎn)過程中與整個(gè)腔體一起成型。由于火箭引擎的復(fù)雜性,，使用傳統(tǒng)制造工藝不僅成本高昂工序繁瑣,，整個(gè)生產(chǎn)過程至少需要半年的時(shí)間。而在3D打印的火箭引擎中,，CellCore展示了SLM®技術(shù)為航空航天工業(yè)提供的可能性,，整個(gè)打印過程僅需要不到5個(gè)工作日的時(shí)間，同時(shí)還得到了一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化和改進(jìn)的一體化組件,。

一體化的火箭推進(jìn)引擎,，結(jié)合噴射器和推力室，將眾多的單個(gè)部件簡化為一個(gè),，只有通過激光選區(qū)熔化工藝才能實(shí)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(gè)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(gè)設(shè)計(jì)的冷卻性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì),，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(shè)計(jì)和整體穩(wěn)定性之間的平衡關(guān)系，在提高表面反應(yīng)率的同時(shí)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(shè)計(jì)的優(yōu)勢,，整個(gè)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(xiàng)目的準(zhǔn)備階段就已開始,，通過反復(fù)的溝通,、確認(rèn)及優(yōu)化，確保成功制造出這類高度復(fù)雜的組件,。SLM Solutions技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)針對這種特殊的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)開發(fā),，重點(diǎn)對下表面粗糙度進(jìn)行了優(yōu)化。在隨后的深入交流中,，SLM Solutions的應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)又對零件的擺放方式給出了專業(yè)建議,，并對零件的關(guān)鍵部位進(jìn)行了確認(rèn)及測試，保障零件的各項(xiàng)性能達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn),。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(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)。

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(qiáng)度,，是飛機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)部件以及許多其他高溫應(yīng)用的重要材料,，其中也包括火箭推進(jìn)引擎。使用傳統(tǒng)工藝加工時(shí),，硬質(zhì)材料加工難度大,，刀具磨損嚴(yán)重。但是使用增材制造技術(shù)則無需擔(dān)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(shè)備制造的。SLM®280生產(chǎn)系列提供了一個(gè)280×280×365mm的成型艙和專利的多激光技術(shù),。它配備了一個(gè)粉末供應(yīng)系統(tǒng)(PSV),，不再需要使用粉瓶灌裝粉末進(jìn)行填充原料。在將粉末送入設(shè)備之前,，粉末經(jīng)由集成的超聲波篩粉系統(tǒng)對其進(jìn)行處理,，確保不會(huì)有過大的顆粒或異物進(jìn)入SLM®過程,。PSV和SLM®設(shè)備之間的粉末由保護(hù)氣流進(jìn)行全自動(dòng)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(jìn)行相應(yīng)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(fù)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(shù)通過減少昂貴,、耗時(shí)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(gè)機(jī)會(huì),，在保障卓越質(zhì)量要求的同時(shí),，通過增加火箭系統(tǒng)的功能，運(yùn)用輕量化設(shè)計(jì)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(wù)董事安德烈亞斯·克魯格(Andreas Kruger)對此深信不疑：

“這項(xiàng)概念研究顯示,，增材制造在航空航天領(lǐng)域和其他行業(yè)都具有巨大的潛力,。我們對SLM®技術(shù)的可能性感到印象深刻，當(dāng)看到由SLM®技術(shù)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(shí),，這個(gè)印象也變得更為深刻了,。我們目前正在按照此項(xiàng)目中展現(xiàn)的各項(xiàng)原則開展相關(guān)工作，這將為航空發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪組件帶來巨大的附加值,，例如實(shí)現(xiàn)溫度可控等方面,。”

這臺(tái)一體化火箭引擎將在EMO 2019展會(huì)上與大家見面,，SLM的專家也將在展會(huì)現(xiàn)場與參觀者一起討論,，如何使用SLM®技術(shù)來為您帶來更大的優(yōu)勢或收益。