SMILE項目的發動機噴射器，通過金屬3D打印設計，獲得了優異的混合燃燒效率、達到輕質特點且部件數量經過整合后顯著減少，30個零散部件整合為一個整體性部件

通過金屬3D打印的噴射頭將30個零散部件整合為1個整體式部件，并減重10%

挑戰：
為小型衛星運載火箭設計制造可重復使用的液體火箭發動機噴射器

解決方案：
    3DSystems魯汶客戶創新中心基于對增材制造豐富的設計經驗，使用金屬3D打印機ProX DMP 320和一種適用于高溫應用的鎳鉻基超耐熱合金LaserForm? Ni718 (A)達成德國航天中心要求。

成果：
? 優化零件特性以提高性能
? 將噴射頭部件從30個零散部件整合為1個部件
? 將噴射頭部件重量降低10%

    歐盟地平線2020計劃中有個項目名為”歐洲SMall創新發射器“(也就是SMILE項目)， 旨在設計一種小型衛星運載火箭，將小型衛星(最多達150千克)送入與太陽同步的軌道。位于德國斯圖加特的德國航天中心結構與設計研究所是14個參與項目的組織之一，并負責開發SMILE項目。該研究所對液體推進系統的關注是基于系統翻新和再利用的潛力，由此為小型衛星發射器提供更具成本效益的解決方案。

     鑒于液氧/煤油發動機噴射頭部件的高度復雜性，德國航天中心DLR與3D Systems客戶創新中心CIC合作，設計了一個3D打印噴射器，以此來實現新性能。3D Systems公司魯汶中心是全球四個致力于加速先進應用的中心之一，為客戶提供開發、驗證和商業化產品所需的資源。

      德國航天中心決定采用3D打印噴射頭，他們利用增材制造的關鍵優勢，包括采用整體式設計來減少零件數量以及利用集成關鍵功能，如冷卻流道，以此來更好的整體推進系統的性能。

       馬庫斯?庫恩和伊利亞?穆勒在德國航天中心管理噴射頭項目，他們表示因為3D Systems的金屬打印在航空航天領域有成功的應用，所以他們此次選擇3D Systems作為合作伙伴。庫恩提到：“基于DMP金屬打印技術在航空方面的成功，我們認為3D Systems非常適合提供噴射頭的設計到制造，可以挖掘傳感器集成、燃料和冷卻劑分配的新可能性。”

火箭發動機的噴射器是燃料和氧化劑進入燃燒室的部分。成功的液體火箭燃料噴射器以特定方式推動部件，確保其霧化和適當混合，產生移動火箭所需的燃燒。

3D Systems的項目工程師科恩?惠特表示，德國航天中心設想的液體燃料噴射頭包含幾個性能都需要通過DMP打印技術才能辦到:”優化性能和冷卻功能、壓力和溫度傳感器通道的復雜設計和簡化裝配和保持生產的一致性和可重復性，這一切都需要ProX? DMP 320。”

對3D打印噴射頭進行熱火試驗，顯示其具有良好的混合和燃燒效率

DMP金屬打印可以幫助德國航天中心達成以下目標:

? 通過燃料和冷卻劑分配的新可能性，優化零件性能
? 易于實現三維路徑壓力和溫度傳感器通道
? 消除中間生產和裝配環節
? 不受傳統制造方法的限制，獨立地優化熱、質量和水力性能
? 避免裝配故障點，提高整體設計的質量
? 減少加工步驟，生產集成度高的多功能噴射器

    通過使用金屬3D打印，航空航天中心能夠徹底改變同軸噴射器的設計方法，無需多個組件，顯著降低生產時間和成本。零件數量從30減少到1有助于最終減重10%，并消除了緊固處已知的故障點，有利于減少相關的質量管控措施，提升了系統性能。

用精密金屬打印整合部件

      3D Systems的應用工程師使用3DXpert軟件來準備噴射頭的文件進行打印。3DXpert是一款全方位的軟件，涵蓋了整個金屬增材制造過程。3D Systems進行打印前準備工作，從而可以方便一處后處理眾多粉末，同時還進行適印性檢查，以便確保打印過程不會出現狀況。德國航天中心火箭噴射器的最終部件通過3D Systems的金屬打印機ProX DMP 320進行打印，使用的材料是LaserForm? Ni718 (A),一種抗氧化和耐腐蝕的鉻鎳鐵合金。這種材料具有良好的抗拉強度、耐疲勞性、抗蠕變性和持久強度，即使溫度達到700?c，是高溫應用的理想選擇。

噴油器頭內部的一個視圖顯示了金屬3D打印所啟用的復雜性

   打印完成后，3D Systems的團隊對零件進行熱處理以緩解應力，并使用放電加工(EDM)將零件從成型平臺上移除。

無模生產加速設計周期

      通過DMP技術，航天中心能夠快速集成和探索設計更改，無需耗時制作模具。這種能力對德國航天中心的設計周期至關重要，因為它在第一階段設計和測試噴射頭原型時只面臨幾個星期的準備時間。庫恩和穆勒表示：“Prox DMP 320和3D Systems豐富的設計知識使得我們能夠在更短的時間內測試更多的設計方案。“

     金屬3D打印幫助航空航天中心采用同軸噴射技術和雙旋流噴射器元件，優化噴射頭的氧化劑和燃料混合。采用了兩種不同的冷卻方案，每一種都采用最小特征尺寸為0.2毫米、最大長度/直徑比為45的細通道。該設計還集成了噴射頭的鋪膜特性，使工程師能夠直接調整噴油器處的膜質量流量。

更經濟的成本獲得更好的性能

噴射頭流量：藍色=液化氧；橙色=煤油；紅色=薄膜層；綠色=蒸騰冷卻

    航天中心通過直接將冷卻劑分配系統與噴射器集成，使性能有所提升，工程師能夠實施并獨立控制壁面發汗和氣膜冷卻技術。當在噴射器內使用時，在燃燒室內熱的一側形成冷卻劑膜，以保護壁面結構不受高熱通量的影響。這種系統被認為比傳統的再生冷卻更容易制造和經濟。

     與陶瓷纖維基復合材料(CMCS)等復雜的陶瓷材料結合一起，航天中心和3D Systems開發的設計和制造方法有可能支持為了噴射頭開發的結構和系統被多次重復使用，并將技術轉移到其他應用中。

帶有3D打印噴射頭和陶瓷燃燒室的液化氧/煤油火箭噴射器裝置

    為了評估新的設計，德國航天中心對內部流動進行了數值模擬，以估計每種推進劑的燃料分布和進給線的相關壓力損失。隨后的冷流試驗表明，數值和實驗測量數據之間有良好的相關性。在西班牙的PLD Space（SMILE項目的合作伙伴）對最終3D打印噴射頭進行的熱火測試表明，與航空中心設計的火箭推力室組件相結合后，具有良好的混合和燃燒效率。

     展望未來，金屬打印支持的新設計和制造工藝將繼續支持更復雜的幾何結構，通過減少生產步驟來加快上市時間，優化材料和零件的使用，不斷改進性能，提高結構完整性以延長噴射頭的使用壽命。

   穆勒表示:”我們認為可以肯定地說，與傳統方法制造的先進的同等零件相比，3D打印噴射頭的集成功能更優越，生產時間和成本也更低。“

航空航天領域的金屬增材制造

       金屬3D打印已經成為航空和航空航天領域的一項關鍵技術，因為它的優勢與該行業的關鍵需求保持一致，包括減輕重量、節省燃料、提高運營效率、部件整合、加速上市時間和減少對零部件的存儲要求。

最近的項目已經證明3D Systems的DMP金屬3D打印技術在航空領域的有效性：

? 第一臺3D打印射頻(RF)濾波器經過測試和驗證，可用于商業通信衛星。空中客車防務及航天公司的新過濾器比以前的設計減少了50%的重量.

? 泰雷茲阿萊尼亞宇航公司與3D Systems合作，鈦支架減重25%，比傳統方法制造具有更好的剛度-重量比

? 在歐洲航天局(ESA)的一個項目中制造的發動機部件，做到了減輕重量，簡化裝配，加速制造，并使后期設計更容易適應。

? 一種經過拓撲優化的飛機支架，重量減少70%，滿足GE航空所有功能要求