Produkcja addytywna w przemyśle kosmicznym dla dysz wtryskowych Ariane

Głowica wtryskowa: kluczowy element silnika rakietowego

Głowica wtryskowa to element systemu napędowego odpowiedzialny za dostarczanie paliwa (najczęściej wodoru i tlenu) do komory spalania. Tradycyjnie jej konstrukcja była złożona z 248 elementów, wytwarzanych i montowanych w różnych etapach. Każdy etap produkcji niósł ze sobą ryzyko powstawania słabych punktów, co mogło prowadzić do awarii przy ekstremalnych obciążeniach. Dodatkowo, sam proces produkcji był wyjątkowo skomplikowany – wymagał m.in. odlewania, lutowania, spawania i wiercenia. Przykładem jest konieczność wywiercenia ponad 8000 otworów przelotowych w tulejach miedzianych, które następnie były skręcane z 122 elementami wtryskowymi, odpowiedzialnymi za mieszanie wodoru z tlenem. Tego typu proces, choć efektywny, był czasochłonny, kosztowny i obarczony ryzykiem błędów.
 

Wyzwanie: uproszczenie skomplikowanej produkcji

Program Ariane, wspierany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), ma na celu umożliwienie umieszczania ciężkich ładunków, takich jak satelity komunikacyjne, na orbicie Ziemi. W ramach tego projektu rozwijany jest nowoczesny system rakietowy, w którym kluczową rolę odgrywa właśnie głowica wtryskowa. Tradycyjne metody produkcji tego typu komponentów obejmowały wiele różnych procesów, które mogły generować ryzyko słabych punktów konstrukcyjnych. Ponadto, konieczność wieloetapowej produkcji wydłużała czas realizacji zamówień, co miało bezpośredni wpływ na harmonogramy misji kosmicznych.
 
Inżynierowie ArianeGroup – odpowiedzialni za rozwój europejskich rakiet nośnych Ariane – postawili sobie za cel uproszczenie tego skomplikowanego systemu. Wyzwanie polegało na tym, aby zmniejszyć liczbę komponentów, skrócić czas produkcji oraz zwiększyć niezawodność elementu przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.
 

Rozwiązanie: Addytywna rewolucja

W celu rozwiązania tych problemów, ArianeGroup zdecydowała się na zastosowanie druku 3D – technologii DMLS – w procesie produkcji. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych drukarek 3D EOS GmbH, udało się zredukować liczbę 248 elementów składających się na głowicę wtryskową do zaledwie jednego komponentu.
 
Głównym materiałem wykorzystanym do produkcji głowicy był stop niklu IN718, który charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, odpornością na korozję oraz doskonałymi właściwościami mechanicznymi w wysokich temperaturach. Wybór tego materiału pozwolił na znaczne zwiększenie niezawodności i wytrzymałości komponentu, co jest kluczowe w warunkach ekstremalnych obciążeń występujących podczas lotów kosmicznych.
 

Źródło zdjęcia: EOS Gmbh

Komponent silnika ArianeGroup dla Ariane 6: Integracja 248 pojedynczych części w pojedynczy komponent

Przełomowa technologia: EOS M 400-4

Jednym z kluczowych elementów sukcesu była możliwość skalowania procesu produkcyjnego. Początkowo głowica wtryskowa była drukowana na systemie EOS M 290, jednak w celu przyspieszenia produkcji, projekt przeniesiono na EOS M 400-4 – drukarkę 3D wyposażoną w cztery lasery, co pozwoliło na czterokrotne zwiększenie wydajności. To umożliwiło skrócenie czasu produkcji komponentu z 65 godzin do zaledwie 35 godzin, co było kluczowe dla realizacji harmonogramów produkcyjnych programu Ariane. Dzięki współpracy z doświadczonym zespołem EOS, udało się osiągnąć wszystkie zamierzone cele produkcyjne, a efekty mówią same za siebie.

Jedynie technologia addytywna mogła połączyć zintegrowaną funkcjonalność, lekkość konstrukcji, prostszy design i krótsze czasy realizacji w jednym komponencie. Skalowanie procesu produkcyjnego do systemu EOS M 400-4 było kluczowym krokiem w industrializacji i zwiększeniu konkurencyjności projektu Ariane.
 

– Dr. Steffen Beyer, Dyrektor ds. technologii produkcji w ArianeGroup

Wyniki: Rewolucja w produkcji

Rezultaty zastosowania technologii DMLS do produkcji głowicy wtryskowej są imponujące. Zamiast 248 elementów, teraz składa się ona z jednego, zintegrowanego komponentu, który spełnia wszystkie funkcje wymagane od tego kluczowego elementu systemu napędowego. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu druku 3D, czas produkcji uległ drastycznemu skróceniu, a koszty zostały zredukowane o 50%.
 
Nowa metoda produkcji pozwoliła na zintegrowanie 122 dysz wtryskowych, płyt bazowych i czołowych oraz kopuły dystrybucyjnej wraz z rurami zasilającymi wodór i tlen w jeden komponent. W porównaniu do tradycyjnych metod produkcji, druk 3D pozwolił również na znaczne zmniejszenie grubości ścianek komponentu, bez utraty wytrzymałości. Dzięki temu komponent jest lżejszy, a co za tym idzie – łatwiejszy do produkcji i montażu.
 

Korzyści dla projektu Ariane

Zastosowanie druku 3D w projekcie Ariane przyniosło nie tylko oszczędności kosztowe, ale również umożliwiło szybsze wprowadzanie innowacji. W tradycyjnych metodach produkcji, każda iteracja projektu wymagała czasu potrzebnego na stworzenie nowych narzędzi, co mogło trwać nawet pół roku. Dzięki drukowi 3D, inżynierowie mogą teraz wprowadzać zmiany projektowe i testować nowe komponenty w ciągu kilku dni, bez konieczności oczekiwania na produkcję form i narzędzi.
 

Dlaczego BIBUS MENOS?

Jako dystrybutor EOS GmbH w Polsce, oferujemy wsparcie technologiczne firmom z różnych branż, w tym kosmicznej, motoryzacyjnej i medycznej, które chcą wykorzystać potencjał druku 3D w swojej produkcji. Nasze doświadczenie i współpraca z liderami technologii przyrostowych pozwala na dostarczanie zaawansowanych rozwiązań, które poprawiają efektywność produkcji, skracają czas realizacji zamówień i obniżają koszty.
 
Technologia oferowana przez EOS pozwala na tworzenie wysoce skomplikowanych komponentów, które wcześniej były niemożliwe do wykonania za pomocą tradycyjnych metod. Współpraca z BIBUS MENOS umożliwia firmom dostęp do najnowocześniejszych rozwiązań technologicznych, które wspierają innowacje i zwiększają konkurencyjność na globalnym rynku.