被稱為雷射選區熔化的3D列印工藝為金屬零部件的增材製造提供了廣泛的可能性。相比傳統製造方式而言，使用增材製造所生產的零部件內部結構將更為堅固，重量也更輕。而增材製造進一步的優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後處理工作量可以在整個製造過程中節省大量的成本。CellCore公司將雷射選區熔化技術的優勢巧妙的應用於航空航天工業，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列印，成功實現了多功能推力室的一體化成型。
由CellCore公司和SLM Solutions公司生產的火箭引擎由推力室、帶燃燒室壁的液體推進劑發動機核心部件、燃料入口和帶氧化劑入口的噴射頭組成。燃燒室裡的化學反應產生氣體，由於熱的積聚而膨脹，然後以巨大的力量噴射出來。因此，驅動火箭所需的推力是利用反衝產生的。在燃燒過程中，燃燒室會產生極高的溫度，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，然後進入噴油頭。在那裡，燃料與氧化劑混合，並由火花塞點燃。而在傳統生產方式中，冷卻管道是通過在毛坯上鑽孔，隨後再通過多個繁瑣的工作步驟進行密封得來。
使用雷射選區熔化技術時，冷卻管道將直接作為設計中的一部分，並在同一生產過程中與整個腔體一起成型。由於火箭引擎的複雜性，使用傳統製造工藝不僅成本高昂工序繁瑣，整個生產過程至少需要半年的時間。而在3D列印的火箭引擎中，CellCore展示了SLM技術為航空航天工業提供的可能性，整個列印過程僅需要不到5個工作日的時間，同時還得到了一個經過優化和改進的一體化組件。
一體化的火箭推進引擎，結合噴射器和推力室，將眾多的單個部件簡化為一個，只有通過雷射選區熔化工藝才能實現多功能集成的輕量化結構。CellCore公司所開發的內部結構遍布整個火箭引擎，不能使用傳統工藝製造。它不僅適用於傳熱，而且提高了構件的結構穩定性。這個設計的冷卻性能明顯優於傳統設計，例如集中作用的直角冷卻管道，保障並優化了大量使用直角設計和整體穩定性之間的平衡關係，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，由於將眾多額外的功能集於一身，省去了不必要的組件，加之輕量化設計的優勢，整個火箭引擎的重量也比傳統產品要輕很多。
SLM Solutions公司與CellCore公司的合作在項目的準備階段就已開始，通過反覆的溝通、確認及優化，確保成功製造出這類高度複雜的組件。SLM Solutions技術支持團隊針對這種特殊的幾何結構進行了參數開發，重點對下表面粗糙度進行了優化。在隨後的深入交流中，SLM Solutions的應用工程團隊又對零件的擺放方式給出了專業建議，並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對材料的高要求，火箭引擎最終使用鎳基高溫合金 IN718在SLM280雷射選區熔化設備上進行生產。
IN718是一種沉積硬化的鎳鉻合金，在700℃的環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。使用傳統工藝加工時，硬質材料加工難度大，刀具磨損嚴重。但是使用增材製造技術則無需擔心此類問題，金屬粉末將被直接熔化並成型為任意幾何形狀。
該引擎是使用SLM Solutions公司的SLM280雷射選區熔化設備製造的。SLM280生產系列提供了一個280×280×365mm的成型艙和專利的多雷射技術。它配備了一個粉末供應系統(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，粉末經由集成的超聲波篩粉系統對其進行處理，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。在列印工作完成後，首先清理並回收粉末，然後將零件連同基板取出。最後，根據零件要求進行相應的熱處理及線切割，並將多餘的支撐結構去除。
儘管該引擎的結構複雜，但後處理量卻是最小化的，儘可能的避免了刀具磨損。SLM技術通過減少昂貴、耗時的製造步驟和簡化火箭引擎結構節省了可觀的成本。雷射選區熔化為航空航天公司提供了一個機會，在保障卓越質量要求的同時，通過增加火箭系統的功能，運用輕量化設計和大幅縮短的開發、測試和生產周期，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，增材製造在航空航天領域和其他行業都具有巨大的潛力。我們對SLM技術的可能性感到印象深刻，當看到由SLM技術生產的具有高精度、高質量、多功能集成的冷卻結構時，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的各項原則開展相關工作，這將為航空發動機或渦輪組件帶來巨大的附加值，例如實現溫度可控等方面。」
這臺一體化火箭引擎將在EMO 2019展會上與大家見面，SLM的專家也將在展會現場與參觀者一起討論，如何使用SLM技術來為您帶來更大的優勢或收益。
文章來源：MM現代金屬加工網