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(shì)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(guò)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(shì)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(guò)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(lái)。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(guò)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(guò)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(guò)在毛坯上鉆孔，隨后再通過(guò)多個(gè)繁瑣的工作步驟進(jìn)行密封得來(lái)。
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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)化為一個(gè)，只有通過(guò)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(shì)，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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)零件的擺放方式給出了專業(yè)建議，并對(duì)零件的關(guān)鍵部位進(jìn)行了確認(rèn)及測(cè)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(duì)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)。
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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(wú)需擔(dān)心此類問(wèn)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(duì)其進(jìn)行處理，確保不會(huì)有過(guò)大的顆粒或異物進(jìn)入SLM®過(guò)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(guò)減少昂貴、耗時(shí)的制造步驟和簡(jiǎn)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(guò)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(cè)試和生產(chǎn)周期，來(lái)提高自己的競(jìng)爭(zhēng)地位。
CellCore GmbH的常務(wù)董事安德烈亞斯•克魯格(Andreas Kruger)對(duì)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(duì)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(lái)巨大的附加值，例如實(shí)現(xiàn)溫度可控等方面。”
