3D Systems公司(簡(jiǎn)稱3DS)和歐洲太空總署(簡(jiǎn)稱ESA)合作，通過增材制造技術(shù)直接金屬打印(簡(jiǎn)稱DMP)制作出了用于一個(gè)雙組元通信衛(wèi)星引擎的噴油器，燃燒室和擴(kuò)張噴管。這些零件可以讓ESA評(píng)估潛在的因素從而進(jìn)一步改善現(xiàn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。此外，ESA和3DS公司的直接金屬打印專家利用DMP直接金屬打印的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，為上述的衛(wèi)星引擎零件來設(shè)計(jì)并制作功能分開的替代品，例如一個(gè)單片燃燒室的設(shè)計(jì)可結(jié)合一個(gè)薄壁壓力容器和支持外部結(jié)構(gòu)的支架。DMP直接金屬打印可以減少重量，簡(jiǎn)化組裝，制造速度快且支持后期的設(shè)計(jì)適應(yīng)性。與ESA的合作符合3DS公司的戰(zhàn)略：提供其獨(dú)特的技術(shù)來支持更卓越的太空和航天航空制造。ESA為了太空衛(wèi)星引擎，進(jìn)而研究增材制造技術(shù)DMP的直接金屬打印零件。
DMP的現(xiàn)狀
通信衛(wèi)星是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和保障銀行、電視廣播和天氣預(yù)報(bào)這些商業(yè)溝通中所必需的。ESA的其中一個(gè)作用就是監(jiān)督太空衛(wèi)星技術(shù)的開發(fā)。作為內(nèi)部資金項(xiàng)目的一部分，ESA正在研究金屬增材制造/直接金屬打印，他們?cè)谠u(píng)估它的潛能和未來在引擎開發(fā)方面的前景。
作為研究項(xiàng)目的一部分，ESA選擇了3DS公司的直接金屬打印，選擇3DS是因?yàn)樗麄兊膶I(yè)技術(shù)知識(shí)和優(yōu)秀的客戶服務(wù)。3DS制造出了3個(gè)擁有當(dāng)前設(shè)計(jì)的關(guān)鍵引擎零件，還有可行的DMP功能設(shè)計(jì)變量。
衛(wèi)星推力器上面的噴油器以一種可控的方式把兩種推進(jìn)劑結(jié)合在一起，使其自發(fā)點(diǎn)燃且持續(xù)燃燒。文丘里管形狀的燃燒室加速了化學(xué)氣體的排放從而推動(dòng)衛(wèi)星進(jìn)入正確的軌道。擴(kuò)張噴管通過對(duì)下游的氣流產(chǎn)生影響從而再影響到其運(yùn)動(dòng)特性。
創(chuàng)新型的噴油器制作
“DMP直接金屬打印提供了創(chuàng)新型的復(fù)制來優(yōu)化從推進(jìn)器閥到燃燒室的流程，”Simon Hyde說。它的設(shè)計(jì)自由使ESA將噴油器裝配件的數(shù)量減少到1個(gè)，而傳統(tǒng)制造的話裝配件會(huì)超過5個(gè)，也消除了對(duì)于液壓噴射操作來說存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的密封焊接，這大大降低了成本和風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)增材制造流程的完全掌控,3DS公司的直接金屬打印可得到一個(gè)相對(duì)密度達(dá)到99.98%的均勻微結(jié)構(gòu)，金屬及合金包括鈦合金零件的數(shù)量在逐漸增多。
DMP也適合于噴油器的熱敏設(shè)計(jì)，可預(yù)防熱量回溯到敏感的推進(jìn)劑閥座和航天器本身。治具不再受限制讓熱敏元件的新設(shè)計(jì)可通過使用一個(gè)金屬支架來控制導(dǎo)電率。內(nèi)置適合飛行的鈦合金材料（Ti6AI4V），噴油器零件可達(dá)到空間區(qū)段和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師需要的產(chǎn)品保證要求。
分離的燃燒室功能
緊湊的太空衛(wèi)星引擎燃燒室一般包含一個(gè)帶有無支撐噴嘴口的收斂-擴(kuò)張噴管。推進(jìn)劑會(huì)在排出的氣流通過收斂段進(jìn)入到擴(kuò)張段前，在噴管的收斂部分完成化學(xué)反應(yīng)?，F(xiàn)有的分離室是被用設(shè)計(jì)用來抵擋與發(fā)射，厚室壁瞬態(tài)加載這些聯(lián)系在一起的非運(yùn)作加載。一旦一切就位且可以進(jìn)行操作，燃燒室就不再需要這些厚室壁。 Simon Hyde說，DMP 直接金屬打印允許燃燒室的功能在可操作和不可操作的負(fù)荷情況下分離。直觀地說，這將轉(zhuǎn)化為支撐架構(gòu)來支持薄的燃燒室壁和擴(kuò)張噴嘴連接物的焊接凸緣。3DS公司的直接金屬打印制作的支撐架構(gòu)是低密度網(wǎng)格狀的，不是粗糙的支撐物。正由于它的體積密度低于12%，DMP生產(chǎn)的主要燃燒室重量減少或者是說改善到了結(jié)構(gòu)所需的安全邊際量。
內(nèi)置的Ti6Al4V材料，這種真正的壁室材料是耐火的合金（例如：基于鈮，鉬，鉭，鎢和（或者）錸）來抵御極端的燃燒熱量。進(jìn)一步研究顯示這創(chuàng)新的燃燒室設(shè)計(jì)涉及到網(wǎng)格在應(yīng)力場(chǎng)的無向性和其復(fù)雜的熱沖擊。這個(gè)網(wǎng)格會(huì)提高有效的表面發(fā)射率，所以它會(huì)影響燃燒室周圍的熱通量。
大型的金屬打印
ESA的工程師也檢驗(yàn)了用DMP技術(shù)來制造一個(gè)出口直徑接近50厘米的擴(kuò)張噴管。這大概是以前從未制造過的最大的SLM零件了。說到DMP的產(chǎn)量，3DS公司能夠制造任何零件幾何可以適合275 x 275 x 450毫米的盒子。噴嘴上的應(yīng)力相對(duì)來說很小而且最小化了懸臂式的質(zhì)量。3DS公司的直接金屬打印使用鈦合金（Ti6Al4V）制作了擴(kuò)張噴管，這很大程度上滿足了擴(kuò)張噴管的機(jī)械和熱敏要求。
Hyde說，DMP提供了相較于傳統(tǒng)的板材旋壓成型技術(shù)不同的制造優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的成型技術(shù)會(huì)喪失所有的設(shè)計(jì)靈活性。DMP讓引擎的表現(xiàn)可以符合客戶的配置文件，哪怕在后期的制作流程中還可以有許多設(shè)計(jì)方面的選擇。