3D Systems公司(簡稱3DS)和歐洲太空總署(簡稱ESA)合作，通過增材制造技術(shù)直接金屬打印(簡稱DMP)制作出了用于一個雙組元通信衛(wèi)星引擎的噴油器，燃燒室和擴張噴管。這些零件可以讓ESA評估潛在的因素從而進一步改善現(xiàn)行產(chǎn)品的設(shè)計。此外，ESA和3DS公司的直接金屬打印專家利用DMP直接金屬打印的設(shè)計機會，為上述的衛(wèi)星引擎零件來設(shè)計并制作功能分開的替代品，例如一個單片燃燒室的設(shè)計可結(jié)合一個薄壁壓力容器和支持外部結(jié)構(gòu)的支架。DMP直接金屬打印可以減少重量，簡化組裝，制造速度快且支持后期的設(shè)計適應(yīng)性。與ESA的合作符合3DS公司的戰(zhàn)略：提供其獨特的技術(shù)來支持更卓越的太空和航天航空制造。ESA為了太空衛(wèi)星引擎，進而研究增材制造技術(shù)DMP的直接金屬打印零件。
DMP的現(xiàn)狀
通信衛(wèi)星是移動互聯(lián)網(wǎng)和保障銀行、電視廣播和天氣預(yù)報這些商業(yè)溝通中所必需的。ESA的其中一個作用就是監(jiān)督太空衛(wèi)星技術(shù)的開發(fā)。作為內(nèi)部資金項目的一部分，ESA正在研究金屬增材制造/直接金屬打印，他們在評估它的潛能和未來在引擎開發(fā)方面的前景。
作為研究項目的一部分，ESA選擇了3DS公司的直接金屬打印，選擇3DS是因為他們的專業(yè)技術(shù)知識和優(yōu)秀的客戶服務(wù)。3DS制造出了3個擁有當前設(shè)計的關(guān)鍵引擎零件，還有可行的DMP功能設(shè)計變量。
衛(wèi)星推力器上面的噴油器以一種可控的方式把兩種推進劑結(jié)合在一起，使其自發(fā)點燃且持續(xù)燃燒。文丘里管形狀的燃燒室加速了化學(xué)氣體的排放從而推動衛(wèi)星進入正確的軌道。擴張噴管通過對下游的氣流產(chǎn)生影響從而再影響到其運動特性。
創(chuàng)新型的噴油器制作
“DMP直接金屬打印提供了創(chuàng)新型的復(fù)制來優(yōu)化從推進器閥到燃燒室的流程，”Simon Hyde說。它的設(shè)計自由使ESA將噴油器裝配件的數(shù)量減少到1個，而傳統(tǒng)制造的話裝配件會超過5個，也消除了對于液壓噴射操作來說存在潛在風(fēng)險的密封焊接，這大大降低了成本和風(fēng)險。通過對增材制造流程的完全掌控,3DS公司的直接金屬打印可得到一個相對密度達到99.98%的均勻微結(jié)構(gòu)，金屬及合金包括鈦合金零件的數(shù)量在逐漸增多。
DMP也適合于噴油器的熱敏設(shè)計，可預(yù)防熱量回溯到敏感的推進劑閥座和航天器本身。治具不再受限制讓熱敏元件的新設(shè)計可通過使用一個金屬支架來控制導(dǎo)電率。內(nèi)置適合飛行的鈦合金材料（Ti6AI4V），噴油器零件可達到空間區(qū)段和火箭發(fā)動機設(shè)計師需要的產(chǎn)品保證要求。
分離的燃燒室功能
緊湊的太空衛(wèi)星引擎燃燒室一般包含一個帶有無支撐噴嘴口的收斂-擴張噴管。推進劑會在排出的氣流通過收斂段進入到擴張段前，在噴管的收斂部分完成化學(xué)反應(yīng)?，F(xiàn)有的分離室是被用設(shè)計用來抵擋與發(fā)射，厚室壁瞬態(tài)加載這些聯(lián)系在一起的非運作加載。一旦一切就位且可以進行操作，燃燒室就不再需要這些厚室壁。 Simon Hyde說，DMP 直接金屬打印允許燃燒室的功能在可操作和不可操作的負荷情況下分離。直觀地說，這將轉(zhuǎn)化為支撐架構(gòu)來支持薄的燃燒室壁和擴張噴嘴連接物的焊接凸緣。3DS公司的直接金屬打印制作的支撐架構(gòu)是低密度網(wǎng)格狀的，不是粗糙的支撐物。正由于它的體積密度低于12%，DMP生產(chǎn)的主要燃燒室重量減少或者是說改善到了結(jié)構(gòu)所需的安全邊際量。
內(nèi)置的Ti6Al4V材料，這種真正的壁室材料是耐火的合金（例如：基于鈮，鉬，鉭，鎢和（或者）錸）來抵御極端的燃燒熱量。進一步研究顯示這創(chuàng)新的燃燒室設(shè)計涉及到網(wǎng)格在應(yīng)力場的無向性和其復(fù)雜的熱沖擊。這個網(wǎng)格會提高有效的表面發(fā)射率，所以它會影響燃燒室周圍的熱通量。
大型的金屬打印
ESA的工程師也檢驗了用DMP技術(shù)來制造一個出口直徑接近50厘米的擴張噴管。這大概是以前從未制造過的最大的SLM零件了。說到DMP的產(chǎn)量，3DS公司能夠制造任何零件幾何可以適合275 x 275 x 450毫米的盒子。噴嘴上的應(yīng)力相對來說很小而且最小化了懸臂式的質(zhì)量。3DS公司的直接金屬打印使用鈦合金（Ti6Al4V）制作了擴張噴管，這很大程度上滿足了擴張噴管的機械和熱敏要求。
Hyde說，DMP提供了相較于傳統(tǒng)的板材旋壓成型技術(shù)不同的制造優(yōu)勢，傳統(tǒng)的成型技術(shù)會喪失所有的設(shè)計靈活性。DMP讓引擎的表現(xiàn)可以符合客戶的配置文件，哪怕在后期的制作流程中還可以有許多設(shè)計方面的選擇。