DLR と 3D Systems が液体ロケットエンジンインジェクターの設計で協力

SMILEプロジェクトのエンジンインジェクターは、金属3Dプリント設計により、優れた混合燃焼効率、軽量特性、統合後の部品点数の大幅な削減を実現しました。30個の散在する部品が1つの一体型部品に統合されています。

チャレンジ：
小型衛星打ち上げ機用再使用型液体ロケットエンジンインジェクターの設計・製造

解決：
ルーヴェンにある 3D Systems のカスタマーイノベーションセンターは、金属 3D プリンター ProX DMP 320 と、高温用途に適したニッケルクロムベースの超合金 LaserForm® Ni718 (A) を使用して、DLR の要件を満たす付加製造の設計における豊富な経験を構築しました。

結果：
部品特性を最適化してパフォーマンスを向上
ジェットヘッド部品を30個の個別部品から1つの部品に統合
射出ヘッド部品の重量を10%削減

EUホライズン2020プログラムには、「欧州小型革新的ロケット」（SMILEプロジェクト）と呼ばれるプロジェクトがあり、小型衛星（最大150kg）を太陽同期軌道に打ち上げるための小型衛星打ち上げロケットの設計を目指しています。ドイツのシュトゥットガルトにあるドイツ航空宇宙センター構造設計研究所は、このプロジェクトに参加している 14 の組織のうちの 1 つであり、SMILE プロジェクトの開発を担当しています。同研究所が液体推進システムに注目しているのは、システムの改修と再利用の可能性に基づいており、それにより小型衛星打ち上げ機に、より費用対効果の高いソリューションを提供できるからです。

液体酸素/灯油エンジンインジェクターヘッド部品の高度な複雑性を考慮して、ドイツ航空宇宙センター DLR は 3D Systems のカスタマーイノベーションセンター CIC と協力し、新たな性能を実現する 3D プリントインジェクターを設計しました。 3D Systems ルーベンセンターは、高度なアプリケーションの加速に特化した世界 4 つのセンターの 1 つであり、製品の開発、検証、商品化に必要なリソースを顧客に提供しています。

DLR は、モノリシック設計を使用して部品数を削減し、冷却チャネルなどの主要機能を統合して推進システム全体のパフォーマンスを向上させるなど、積層造形の主な利点を活用して、3D プリントされたインジェクターを使用することを決定しました。

金属製3Dプリントノズルを使用することで、30個に散在していた部品を1つの部品に統合し、重量を10%削減しました。

ドイツ航空宇宙センターでインジェクターヘッドプロジェクトを管理するマルクス・クーン氏とイリヤ・ミューラー氏は、航空宇宙産業における金属印刷アプリケーションの成功により、3D Systems をパートナーとして選んだと述べています。「航空宇宙分野における DMP 金属印刷技術の成功に基づき、3D Systems はインジェクターヘッドの設計から製造までを提供するのに最適であり、センサー統合、燃料および冷却剤の分配に新たな可能性を開くことができると考えています」と Kuhn 氏は述べています。

ロケットエンジンのインジェクターは、燃料と酸化剤が燃焼室に入る部分です。優れた液体ロケット燃料噴射装置は、特定の方法で成分を押し出し、それが霧化され適切に混合されるようにして、ロケットを動かすために必要な燃焼を生み出します。

3D Systemsのプロジェクトエンジニアであるコーエン・ウィット氏は、ドイツ航空宇宙センターが構想する液体燃料噴射ヘッドには、DMP印刷技術を必要とするいくつかの機能が含まれていると述べた。「最適化されたパフォーマンスと冷却機能、圧力と温度のセンサーチャネル

複雑な設計を減らし、組み立てを簡素化し、生産の一貫性と再現性を維持するには、ProX® DMP 320 が必要です。 ”

3Dプリントされたジェットヘッドの高温燃焼試験では、良好な混合と燃焼効率が示された。

DMP 金属印刷は、DLR が次の目標を達成するのに役立ちます。
燃料と冷却剤の分配に関する新たな可能性を通じてコンポーネントのパフォーマンスを最適化
3Dパス圧力および温度センサーチャネルの実装が簡単
中間生産および組み立て工程を排除
従来の製造方法の制約を受けずに、熱、質量、油圧性能を個別に最適化
組み立ての失敗点を回避し、全体的な設計品質を向上
処理ステップを削減し、高度に統合された多機能インジェクターを製造

航空宇宙センターは、金属 3D プリントを使用することで、同軸エジェクターの設計方法に革命をもたらし、複数のコンポーネントの必要性を排除し、製造時間とコストを大幅に削減することができました。部品数を 30 個から 1 個に減らすことで、重量が 10% 軽減され、締結箇所の既知の故障点が排除されるため、関連する品質管理措置が軽減され、システムパフォーマンスが向上します。

精密金属印刷によるコンポーネントの統合

3D Systems のアプリケーションエンジニアは、3DXpert ソフトウェアを使用して、印刷用の噴射ヘッドファイルを準備します。 3DXpert は、金属積層造形プロセス全体をカバーする包括的なソフトウェアです。 3D Systems は印刷前の準備を実行し、さまざまな粉末を 1 か所で簡単に後処理できるようにします。また、印刷プロセス中に問題が発生しないように印刷可能性チェックも実行します。

DLR ロケットインジェクターの最終コンポーネントは、酸化および腐食に強いクロム - ニッケル - インコネル合金である LaserForm® Ni718 (A) を使用して、3D Systems ProX DMP 320 金属プリンターで印刷されました。この材料は、700℃までの温度でも優れた引張強度、耐疲労性、耐クリープ性、長期にわたる強度を備えているため、高温用途に最適です。

インジェクターヘッドの内部を見ると、金属 3D プリントによって実現される複雑さがわかります。

印刷後、3D Systems チームは部品を熱処理して応力を緩和し、放電加工 (EDM) を使用してビルドプラットフォームから取り外しました。

金型を使わない生産で設計サイクルを加速

DMP テクノロジーを使用することで、宇宙センターは時間のかかる金型作成プロセスなしで、設計変更を迅速に統合および検討できます。この機能は DLR の設計サイクルにとって非常に重要でした。エジェクタヘッドのプロトタイプの設計とテストの最初のフェーズでは、リードタイムがわずか数週間しかなかったためです。

「Prox DMP 320 と 3D Systems の豊富な設計知識により、より短時間でより多くの設計オプションをテストすることができました」と Kuhn 氏と Mueller 氏は語ります。

金属 3D プリントにより、航空宇宙センターは同軸注入技術とデュアル渦流インジェクター要素を使用して、インジェクターヘッド内の酸化剤と燃料の混合を最適化できるようになりました。 2 つの異なる冷却方式が採用され、それぞれ最小フィーチャサイズが 0.2 mm、最大長さ/直径比が 45 の細いチャネルが使用されました。この設計では、インジェクターヘッドのフィルム敷設機能も統合されているため、エンジニアはインジェクターでフィルムの質量流量を直接調整できます。

より経済的なコストでより良いパフォーマンス

インジェクターヘッドの流れ: 青 = 液化酸素、オレンジ = 灯油、赤 = フィルム層、緑 = 蒸散冷却

宇宙センターでは、冷却剤分配システムをエジェクターに直接統合することで性能が向上し、エンジニアは壁面蒸散とフィルム冷却技術を実装して独立して制御できるようになりました。インジェクターで使用すると、燃焼室の高温側に冷却膜が形成され、壁構造を高熱流から保護します。このシステムは、従来の再生冷却よりも製造が容易で経済的であると考えられています。

宇宙センターと 3D Systems が開発した設計および製造方法は、セラミック繊維マトリックス複合材 (CMC) などの複雑なセラミック材料と組み合わせることで、インジェクターヘッド用に開発された構造とシステムを何度も再利用し、その技術を他の用途に転用できる可能性を秘めています。

3Dプリントされたインジェクターヘッドとセラミック燃焼室を備えた液体酸素/灯油ロケットインジェクターアセンブリ

新しい設計を評価するために、DLR は内部の流れの数値シミュレーションを実行し、各推進剤の供給ラインにおける燃料分布と関連する圧力損失を推定しました。その後のコールドフロー試験では、数値データと実験測定データの間に良好な相関関係が示されました。 SMILE プロジェクトのパートナーであるスペインの PLD Space で行われた最終的な 3D プリントインジェクターヘッドの高温燃焼テストでは、航空センターが設計したロケット推進室アセンブリと組み合わせた場合、優れた混合効率と燃焼効率が実証されました。

今後、金属印刷によって可能になる新しい設計と製造プロセスは、より複雑な形状をサポートし、製造工程を削減することで市場投入までの時間を短縮し、材料と部品の使用を最適化し、パフォーマンスを継続的に向上させ、構造的完全性を高めてプリントヘッドの寿命を延ばし続けるでしょう。

「3Dプリントされたジェットヘッドの統合機能は優れており、従来の方法で製造された同等の高度な部品よりも製造時間とコストが低いと言っても過言ではないと思います」とミュラー氏は語った。

航空宇宙における金属付加製造

金属 3D プリントは、軽量化、燃料節約、運用効率の向上、部品の統合、市場投入までの時間の短縮、部品の保管要件の削減など、その利点が業界の主要なニーズと一致するため、航空宇宙部門の重要なテクノロジーとなっています。

最近のプロジェクトでは、3D Systems の DMP 金属 3D プリント技術が航空宇宙分野で有効であることが実証されています。
初の 3D プリント無線周波数 (RF) フィルターが、商用通信衛星での使用に向けてテストされ、検証されました。エアバス・ディフェンス・アンド・スペース社の新型フィルターは、従来の設計に比べて重量を 50 パーセント削減します。
タレス・アレニア・スペースと3Dシステムズが協力し、チタン製ブラケットの重量を25%削減し、従来の製造方法よりも優れた剛性対重量比を実現
欧州宇宙機関（ESA）のプロジェクトで開発されたエンジン部品。重量が軽減され、組み立てが簡素化され、製造が高速化され、後からの設計への適応が容易になる。
トポロジー的に最適化された航空機ブラケットは70%軽量で、GE Aviationのすべての機能要件を満たしています。

出典: システム

DLR と 3D Systems が液体ロケットエンジンインジェクターの設計で協力

3D プリントとアルミニウムの融合は世界に何をもたらすのでしょうか?

ジョンズ・ホプキンス大学が新しい言語コードT-Codeを開発：3Dプリントヘッドの機能と速度を向上

ストラタシスとの独占インタビュー：世界の3Dプリント投資は回復し、中国への投資と協力に非常に意欲的

整形外科大手ストライカー、先進的な3Dプリント工場を建設へ

中南大学、南京大学、華中科技大学が超高精度3Dプリント大学建築模型でトップ3を獲得

東華大学の He Chuanglong 氏、上海交通大学の Wang Jinwu 氏と Ma Xiaojun 氏: 骨の修復のための 3D プリントされたバイオニックスキャフォールド!

PLA+素材3Dプリント人体モデルカスタマイズ、eSUNが大規模応用に挑戦

エアバスの3Dプリント高強度アルミ合金粉末Scalmalloyが中国で生産され、中力新材料が認可を取得

マルコポーロの3Dプリント東方への旅：2022年に海外の注目を集める中国の3Dプリント企業20社以上

ドイツのTRUMPFは上海TCT展示会に17万ユーロ相当の金属3Dプリンターを持ち込み、注目を集めている

推薦する

韓国技術研究所、人工知能を活用して3Dプリントの欠陥検出を強化

フォーラム登録：SIMM深圳機械展に3Dプリントの専門家が集結、産業/金型/プロトタイプに関する特別トピック

FlashForgeとKewanが共同で生産性改革を推進（第2部）：革新的な材料と3Dプリントのカスタマイズアプリケーション

北風智能は第15回珠海航空ショーで金属3Dプリント産業チェーンの最新の成果を発表する。

複雑な流路製品における積層設計と積層造形の応用

3DプリントハイヒールMycelium Shoe、前衛的でありながら快適

企業にとっての3Dプリントのメリット：3Dプリントによる部品点数の削減

ActivArmor と Fusion3 がパートナーシップを拡大し、防水プラスチック副木機能の強化を実現

上海交通大学の王浩偉教授のチームが、付加製造技術でひび割れに強いインテリジェントな上部構造を開発

分析┃ 完全に積層造形法で構築された酸化グラフェン湿度センサー（パート 1）

南極クマ調査: JD.com の FDM 3D プリンターの売上ランキングトップ 8

FDM 3Dプリンターは年間数万台を出荷、深セン創祥3Dは新しい歯科用義歯光硬化3Dプリンターを発売

分析！インプラント医療機器における3Dプリント技術の応用

ブロックチェーン技術は、MIPAIが3Dプリントの分散型デジタル製造を解決するための道

SpaceXとOrbital ATKが米軍から3Dプリントロケットエンジン開発で1億ドルの契約を獲得