面临的挑战

欧洲航天局(ESA)希望借助高效的运载火箭技术在航天运输领域占据强有力的独立地位。为此，委托欧洲航空航天公司Airbus Group与法国Safran集团联合成立的合资企业Ariane Group打造Ariane 6。Ariane是欧洲航天局研制的一系列运载火箭，旨在将通信卫星等重型有效载荷送入地球轨道。Ariane 6计划自2025年起代替目前的5型火箭，设计的目的是以颇具竞争力的成本助力欧洲进行空间探索。为该项目设定的目标为，通过消除对公共资金的需求来降低成本。项目的重点在于火箭离开轨道后负责推进的上面级助推器。

在推进模块中，会在极端条件下产生巨大推力。这需要在较小空间内实现最高级别的可靠性和精度。喷嘴头是助推器的核心组件之一，负责将燃料混合物输送入燃烧室。在传统设计中，该组件由248个零部件构成，而这些零部件通过各种制造步骤生产、装配而成。采用铸造、铜焊、焊接与钻孔等不同的工艺步骤可能会带来缺点，从而可能导致在极端负荷下产生风险。此外，生产如此多的零部件也是一个十分耗时的复杂过程。在喷油器组件领域，传统的生产过程需要在铜套管中钻出8000余十字孔，然后用螺钉将铜套管精确地固到122个喷油器组件上，以便将其中流动的氢气与氧气混合。这些数据清晰地表明，从风险角度来看，实现集所有零部件于一体的功能集成组件显然是一项宏伟的目标。特别对于1类组件，这还有助于发挥巨大的经济潜力，减少工艺步骤并缩短生产时间。解决方案增材制造为这些挑战提供了应对方案。“若要生产一体化喷嘴头，只能采用EOS技术。”Ariane Group材料与工艺生产技术主管Steffen Beyer博士表示，他解释了选择工业3D打印技术的原因，“只有增材制造可以将集成功能、轻量化结构、更为简单的设计以及更短的交付周期等特性融合于单一组件中。”项目团队再次选择了耐高温、耐腐蚀的镍基合金 (IN718)材料。材料在高温下可呈现出出色的抗拉伸性、耐用性、抗蠕变性和抗断裂强度，并将与全新的生产技术搭配使用。

图1 借助EOS技术，Ariane Group成功制造出采用一体化设计 (AiO)的Ariane 6 VINCI上面级助推器喷嘴头

包含122个喷油器组件的火箭发动机喷嘴头采用EOS NickelAlloyIN718材料通过增材制造技术生产而成。

“成功开发出组件后，我们将注意力转向如何提高成本效益。”材料与工艺生产技术部门Fabian Riss博士说道。Ariane Group的关键需求是缩短交付周期并降低单位成本。最初，采用EOS M 290通过增材制造技术进行生产。

初步试验成功后，采用更大型的EOS M 400-4系统扩大生产。借助激光器技术，推进模块的制造速度可达原来的四倍。“采用生产率较高的EOS M 400-4系统扩大生产，是我们为提高Ariane 6项目的工业化和竞争力迈出的重要一步。凭借EOS员工的丰富经验和行业专业知识，协作得以高效展开。结果不言而喻，同时也有力证明了团队的卓越表现。”Steffen Beyer博士补充道。

成果

采用增材制造技术生产出的全新喷嘴头令人惊叹：并非248个零部件，而仅由1个组件构成，功能相同，但最大程度缩短了所需的时间。

借助EOS基于粉床的工业3D打印技术，可将122个喷油嘴、基板和前面板、带有相应进料管的圆顶氢气氧气燃料输送头打印为单个集成组件。以AiO喷嘴头为例，与单激光器系统相比，EOS M 400-4多激光器系统生产率明显更高，可将成型时间缩短至1/4，并将成本降低 50%。

图2 包含122个喷油器组件的火箭发动机喷嘴头采用EOS NickelAlloy IN718材料通过增材制造技术生产而成

项目团队还取得一系列成功。与铸件相比，设计得以简化，材料属性得以提升，采用增材制造技术可大幅减小壁厚，而不会对强度造成任何损失。此外，组件重量减轻25%，也能进一步缩短成型时间，从而降低成本。

最后但同样重要的是，增材制造工艺可大幅加快创新周期。开发阶段中的结构改进、设计修改和测试件的制造均可基于CAD数据直接投入生产，工程师无需像铸造零部件时那样花时间准备模具。因此，工业 3D打印可大幅缩短交付周期。过去，每次更新换代通常需要半年左右的时间，而现在只需要几天。