3Dプリントの助けにより、アリアン6ロケットエンジンのノズルヘッド部品の数は248個から1個に削減されました。

「ミッションクリティカルコンポーネント」は、航空宇宙産業で使用されるクラス 1 コンポーネントを最もよく表します。数億ドルの費用がかかるミッションは、このようなコンポーネントに依存しています。そのため、エンジニアは製造チェーンを簡素化し、個々のコンポーネントの数を減らしながら、最高の品質、機能性、堅牢性を備えたコンポーネントの開発に取り組み続けています。 EOS テクノロジーにより、アリアングループはそれをまったく新しいレベルに引き上げました。アリアン 6 ロケットの VINCI 上段ブースターで使用されるこのタイプのロケットエンジンのノズルヘッドコンポーネントの数は、248 個から 1 個に削減されました。ノズル先端は、真のオールインワン (AiO) 設計に簡素化されました。

直面した課題<br /> 欧州宇宙機関（ESA）は、効率的な打ち上げロケット技術によって宇宙輸送の分野で強力な独立的地位を獲得することを望んでいます。この目的のため、欧州の航空宇宙企業エアバス・グループとフランスのサフラン・グループの合弁会社であるアリアングループがアリアン6号の建造を委託された。アリアンは、欧州宇宙機関が開発した、通信衛星などの重量物を地球軌道に運ぶために設計された一連の打ち上げロケットです。アリアン6号は2025年から現在のアリアン5号ロケットに代わる予定で、競争力のあるコストでヨーロッパの宇宙探査を支援するように設計されている。このプロジェクトに設定された目標は、公的資金の必要性を排除することでコストを削減することだった。このプロジェクトの焦点は、ロケットが軌道を離れた後に推進力を担う上段ブースターです。

▲EOS NickelAlloy IN718 材料を使用して 3D プリントされた、122 個のインジェクター部品を含むロケットエンジンノズルヘッド<br /> 推進モジュールでは、極限の状況下で巨大な推力が生成されます。これには、狭いスペース内で最高レベルの信頼性と精度が求められます。ノズルチップはブースターのコアコンポーネントの 1 つであり、燃料混合物を燃焼室に送り込む役割を果たします。従来の設計では、このアセンブリは 248 個の部品で構成され、さまざまな製造手順を通じて製造および組み立てられます。鋳造、ろう付け、溶接、穴あけなどのさまざまなプロセス手順を使用すると、極端な負荷がかかるとリスクにつながる可能性がある欠点があります。さらに、これほど多くの部品を製造するのは時間がかかり、複雑なプロセスでもあります。インジェクター部品の分野では、従来の製造工程では、銅スリーブに8,000個以上の十字穴を開け、その後、銅スリーブをネジで122個のインジェクター部品に正確に固定し、その内部を流れる水素と酸素を混合する必要がありました。これらのデータは、すべてのコンポーネントを 1 つに統合した機能的に統合されたアセンブリを実現することが、リスクの観点から明らかに野心的な目標であることを示しています。特にクラス 1 コンポーネントの場合、これは大きな経済的可能性の実現、プロセスステップの削減、生産時間の短縮にも役立ちます。

· 解決策<br /> 付加製造はこれらの課題に対する解決策を提供します。「一体型ノズルチップの製造には、EOS 技術しか使用できませんでした」と、アリアングループの材料およびプロセス製造技術責任者であるステフェン・ベイヤー博士は、産業用 3D プリント技術を選択した理由を説明しています。「積層造形だけが、統合された機能、軽量構造、よりシンプルな設計、より短い納期サイクルを 1 つのコンポーネントに組み合わせることができます。」プロジェクトチームは、再び、高温および耐腐食性のニッケルベースの合金 (IN718) を選択しました。この材料は、高温での引張強度、耐久性、耐クリープ性、破壊強度に優れており、新しい生産技術と組み合わせて使用されます。

▲EOS M 400-4
「部品の開発に成功した後、私たちはコスト効率を改善する方法に注目しました」と、材料およびプロセス生産技術部門の Fabian Riss 博士は述べています。 ArianeGroup の主なニーズは、リードタイムを短縮し、単位コストを削減することでした。当初はEOS M 290を使用した積層造形技術で生産が行われました。

最初の試験が成功した後、より大型の EOS M 400-4 システムで生産が拡大されました。 4 つのレーザー技術のおかげで、推進モジュールを 4 倍の速さで製造できます。「生産性の高いEOS M 400-4システムによる生産拡大は、アリアン6プロジェクトの産業化と競争力を高めるための重要なステップです。EOS従業員の豊富な経験と業界専門知識のおかげで、協力関係は効率的に進みました。結果はそれを物語っており、チームの優れたパフォーマンスの証です」とステフェン・ベイヤー博士は付け加えました。

· 結果<br /> 付加製造技術を使用して製造された新しいノズルチップは驚くべきもので、248 個の部品ではなく、同じ機能を持つ 1 つのコンポーネントのみで構成され、しかも最小限の時間で製造されます。
EOS の粉末床ベースの産業用 3D 印刷技術を使用して、122 個の燃料インジェクター、ベースプレートとフロントパネル、対応する供給パイプを備えたドーム型の水素および酸素燃料供給ヘッドが、単一の統合コンポーネントとして印刷されました。 AiO ノズルヘッドを例にとると、EOS M 400-4 マルチレーザーシステムは、シングルレーザーシステムに比べて生産性が大幅に向上し、成形時間が 1/4 に短縮され、コストが 50% 削減されます。
プロジェクトチームも一連の成功を収めました。鋳造品と比較して、設計が簡素化され、材料特性が向上し、付加製造により強度を損なうことなく壁厚を大幅に削減できます。さらに、部品の重量を 25% 削減することで、成形時間がさらに短縮され、コストも削減されます。

最後に、付加製造プロセスはイノベーションのサイクルを大幅に加速することができます。開発段階での構造改善、設計変更、テスト部品は、部品を鋳造するときのようにエンジニアが金型の準備に時間を費やすことなく、CAD データに基づいて直接生産に投入できます。したがって、産業用 3D プリンティングは納品サイクルを大幅に短縮できます。以前は、アップグレードにはそれぞれ半年ほどかかっていましたが、今では数日しかかかりません。さらに、製造チェーン全体が現在 ArianeGroup の工場内に展開されています。一言で言えば、ミッションは達成されました!

出典: 3Dサイエンスバレー

3Dプリントの助けにより、アリアン6ロケットエンジンのノズルヘッド部品の数は248個から1個に削減されました。

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