Additive Fertigung Triebwerks-Einspritzkopf als funktionsintegriertes Bauteil

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Mithilfe des Laserschmelzverfahrens hat die Ariane Group den Einspritzkopf des Ariane-6-Triebwerks im All-in-One-Design realisiert.

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Mithilfe von EOS-Technologie hat ArianeGroup den Einspritzkopf des Ariane 6-Oberstufentriebwerks Vinci im wahrsten Sinne „ver-ein-facht“.
Mithilfe von EOS-Technologie hat ArianeGroup den Einspritzkopf des Ariane 6-Oberstufentriebwerks Vinci im wahrsten Sinne „ver-ein-facht“.
(Bild: Ariane Group)

Mission Critical – eine Aussage, die in der Luft- und Raumfahrt auf Bauteile der Klasse 1 absolut zutrifft. Eine bis zu mehreren hundert Millionen Euro teure Mission hängt von ihnen ab. Aus diesem Grund sind Ingenieure kontinuierlich bestrebt, Komponenten mit höchster Qualität, Funktionalität und Robustheit zu entwickeln und dabei sowohl die Fertigungskette zu vereinfachen als auch die Anzahl der Einzelbauteile zu reduzieren. Mithilfe von EOS-Technologie hat Ariane Group, ehemals Airbus Safran Launchers, diese Maxime komplett neu definiert: Der Einspritzkopf des Ariane-6-Oberstufentriebwerks Vinci zählt statt 248 Teile nur noch eines.

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In einem Raketentriebwerk wirken enorm hohe Kräfte unter extremen Bedingungen. Dafür ist ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Präzision bei geringer Baugröße gefragt. Der Einspritzkopf ist eines der zentralen Elemente des Triebwerks, da er das Treibstoffgemisch in den Brennraum einbringt. Konventionell hergestellt besteht er aus 248 Bauteilen, die in verschiedenen Fertigungsschritten produziert und montiert werden. Durch die Bearbeitungsschritte wie Gießen, Löten, Schweißen und Bohren entstehen Schwachstellen, die bei extremen Belastungen ein Risiko darstellen können. Darüber hinaus sind die vielen Schritte zeitaufwendig und komplex. Bei konventioneller Fertigung werden im Bereich der Einspritzelemente über 8000 Querbohrungen in Kupferhülsen gebohrt, die anschließend mit den 122 Einspritzelementen präzise verschraubt werden, um den durchströmenden Wasserstoff mit dem Sauerstoff im Element zu vermischen.

Ein Blick auf solche Zahlen macht deutlich, dass aus Sicht des Risikomanagements ein funktionsintegriertes Bauteil, das alle Komponenten in sich vereint, das ehrgeizige Ziel sein muss. Wenn damit zusätzlich Bearbeitungsschritte und Produktionszeit eingespart werden, setzt das enorme wirtschaftliche Potenziale frei, insbesondere für ein Bauteil der Klasse 1.

Additive Fertigung bietet die Lösung

Die Lösung für diese Herausforderungen lieferte die additive Fertigung. „Allein die additive Fertigung kann Funktionsintegration, Leichtbau, Designvereinfachung und die Reduzierung der Durchlaufzeiten in einem einzigen Bauteil zusammenbringen“, erklärt Dr.-Ing. Steffen Beyer, Leiter Produktionstechnologie – Werkstoffe & Prozesse bei Ariane Group. Die Herstellung des Einspritzkopfs aus einem Bauteil sollte mit der Laserschmelz-Technologie von EOS realisiert werden. Als Material setzte das Projektteam weiterhin auf eine hitze- und korrosionsbeständige Nickelbasislegierung (EOS NickelAlloy IN718). Diese zeichnet sich durch sehr gute Zug-, Dauer-, Kriech- und Bruchfestigkeit bei erhöhten Temperaturen aus und sollte auch bei der neuen Fertigungstechnologie eingesetzt werden.

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Nach der erfolgreichen Entwicklung des Bauteils lag der Fokus auf der Wirtschaftlichkeit. Die zentrale Vorgabe seitens Ariane Group war es, die Durchlaufzeiten und Stück- kosten zu senken. In einem stufenweisen Prozess wurde die Fertigung zunächst auf der EOS M 290 durchgeführt. Nach erfolgreichen Piloten erfolgte die Skalierung auf das größere System EOS M 400-4. Mittels der 4-Laser-Technologie konnte das Triebwerksteil so in bis zu vierfacher Geschwindigkeit hergestellt werden.

Integrales Bauteil mit gleicher Funktion

Durch die pulverbettbasierte, industrielle 3D-Druck-Technologie von EOS gelang es unter anderem, die 122 Einspritzdüsen, die Grund- und Frontplatte sowie den Verteilerdom mit den entsprechenden Zuleitungsstutzen für die Treibstoffe Wasserstoff und Sauerstoff als integrales Bauteil zu drucken. Die deutlich höhere Produktivität des EOS M 400-4 Multi-Laser-Systems im Vergleich zu Single-Laser-Systemen führte dazu, dass die Bauzeit um den Faktor 3 und die Kosten um 50 % reduziert werden konnten. (qui)

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