PBF

Flugfertige Antenne im Pulverbettverfahren

Thales Alenia Space ist ein französischer Luft- und Raumfahrthersteller, der seit mehr als 40 Jahren eine bedeutende Rolle in der Weltraumforschung spielt. Da neue Technologien eine neue Ära der Weltraumforschung einläuten, wird die Verkürzung der Gesamtvorlaufzeit und die Erhöhung des Durchsatzes besonders wichtig, um auf dem wachsenden Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. In dieser Fallstudie erfahren Sie, wie Thales mit dem FormUp 350 und dem Aluminium AS7 seine Ziele in der additiven Fertigung erreicht hat.

INDUSTRIE

Raumfahrt

HERAUSFORDERUNG

Entwurf und Bau einer monolithischen Antenne unter Verwendung additiver Fertigung, die die ECSS-Qualifikationen erfüllt und das Ziel des Kunden unterstützt, die TRL-3-Reife für additiv gefertigte Antennen zu erreichen.

KEY BENEFITS

• Globale Verzerrungen der Antenne: ±0,3 mm
• Gewicht reduziert: weniger als 600 g
• Produktionsrate: 1 Antenne/Tag/Maschine
• Reduzierte Nachbearbeitung

Verkürzte Vorlaufzeit

Kreative Form

In einem Stück gedruckt

Dünne Wände

Geschichte

Normalerweise stellt Thales Alenia Space diese Art von Antenne aus mehreren Teilen her. Anschließend werden die einzelnen Teile in komplexen und zeitaufwändigen Schritten miteinander verbunden oder verschraubt. Die Herstellung präziser Komponenten ist zwar nicht so schwierig, aber ihre Montage zu einer präzisen Antenne ist zeitaufwändig und hat erhebliche Auswirkungen auf die globale Vorlaufzeit und den Durchsatz bei der Serienproduktion. Aus diesem Grund hat sich Thales für die additive Fertigung als Lösung entschieden.

Herausforderung

Entwicklung einer Antenne mit einem Durchmesser von 325 mm und einer Wandstärke von 1 mm durch additive Fertigung, um minimale Verzerrungen und eine Oberflächenbeschaffenheit zu gewährleisten, die den Standards für „flugfertige“ Produkte entspricht, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist. Durch die Erfüllung dieser Standards wird TAS in der Lage sein, einen Technology Readiness Level (TRL) 3 für additiv gefertigte Cassegrain-Antennen zu erreichen.

Lösung

AddUp arbeitete eng mit Thales Alenia Space zusammen, um eine Simulation der Gegenverformung zu erstellen.

Zunächst wurde ein leichtes Design auf der Grundlage der ursprünglichen Spezifikationen erstellt: Haupt- und Nebenreflektorflächen, verfügbarer Bauraum, Lokalisierung der Schnittstellen. Als Nächstes wurde eine Isogitterstruktur auf der Rückseite des Hauptreflektors entworfen, um dem System mehr Steifigkeit zu verleihen. Anschließend wurde eine numerische Simulation durchgeführt, um die Verzerrungen der Antenne während der Produktion zu antizipieren.

Schließlich wird aus der ersten Simulation eine Datei mit der Gegenverformung erstellt. Ziel ist es, das ursprüngliche Design in die entgegengesetzte Richtung der simulierten Verzerrungen anzupassen. Während der Produktion heben sich die Verzerrungen aufgrund der internen Einschränkungen und des gegenverformten Designs gegenseitig auf, sodass das reale Teil so nah wie möglich am ursprünglichen Design bleibt.

Um die beste Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen, die nur minimale Nachbearbeitung erfordert, verwendeten AddUp und Thales Alenia Space ihr nach ECSS qualifiziertes Rezept auf der FormUp 350 in Aluminium AS7.

Die Leistung dieses Rezepts, in Verbindung mit den 4 Vollfeldlasern der Maschine, ermöglicht außerdem eine hohe Produktivität. Von AddUp durchgeführte Serienproduktionssimulationen zeigen eine Produktionsrate von mehr als 2 Antennen pro Tag und Maschine.

Results

Das endgültige Design erreichte eine leichte Antenne mit einem Gewicht von nur 385 Gramm. Die Isogitterstruktur wurde sorgfältig optimiert, um das Gewicht zu minimieren, indem die Größen um den Reflektor herum variiert wurden, wodurch nur die erforderlichen Bereiche verstärkt wurden. Die Verbindungsarme zwischen dem Hauptreflektor und dem Subreflektor wurden so konstruiert und gestaltet, dass die Kopplungseffekte im Nahfeld minimiert werden, wodurch die Gesamtleistung der Antenne im Fernfeld optimiert wird. Die Verzerrungen wurden erfolgreich minimiert, mit einer Abweichung von ±0,3 mm über 90 % der Antenne, was von beiden beteiligten Parteien positiv aufgenommen wurde. Darüber hinaus erfüllte die globale Oberflächenbeschaffenheit und -rauheit das Ziel von Ra 6,3 für beide Reflektoren und erzielte ein vollkommen zufriedenstellendes Ergebnis.

Erfahren Sie hier mehr über die FormUp 350 ECSS-Qualifizierung von Thales 3D Morocco.

AddUp hat das Design einer Raketendüse optimiert, um die Leistung einer Mikro-Trägerrakete zu verbessern.

Die additive Fertigung von Metallen kann in der Luft- und Raumfahrt zu Treibstoff- und Produktionseinsparungen führen. In dieser Fallstudie sehen Sie, wie AddUp das Design einer Raketendüse optimiert hat, um die Leistung einer Mikro-Trägerrakete zu verbessern. Der 3D-Druck ist bereits die Zukunft der Luft- und Raumfahrtindustrie. Lesen Sie die Fallstudie über ein optimiertes Design einer 3D-gedruckten Raketendüse.

INDUSTRY

Aerospace

CHALLENGE

To print an innovative rocket nozzle to optimize engine performance in space

KEY BENEFITS

• Mass reduction
• Printed parts with complex geometries
• Resistance to high temperatures

Mass Reduction

Creative Shape

Function Integration

Performance

Geschichte: AddUp & Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrtindustrie ermöglicht die neue Designfreiheit, die mit der additiven Fertigung einhergeht, leichtere Teile, was zu Treibstoffeinsparungen führt. Auch die Möglichkeit der individuellen Anpassung und das Fehlen von Werkzeugen werden in dieser Branche, in der die Produktionsmengen recht gering sind, als Vorteil angesehen. Luft- und Raumfahrtexperten sind der Meinung, dass die Leistungssteigerung und die geringeren Produktionskosten dazu führen werden, dass sich der 3D-Druck in dieser B r a n c h e als Fertigungsmethode durchsetzen wird.

Einer der wichtigsten Trends im Bereich des Raumtransports ist die Entwicklung kleinerer Trägerraketen, die Nutzlasten von weniger als 500 kg in die Umlaufbahn befördern können. Dies ist einer der vielversprechendsten Aspekte des neuen Weltraums: Mikro- und Mini-Trägerraketen bieten eine Flexibilität und Reaktionsfähigkeit, die sie zu einer ergänzenden Lösung zu herkömmlichen Trägerraketen machen.

Herausforderungen beim Druck innovativer Raketendüsen

Eine Düse ist eine Komponente einer Rakete, die für die Schuberzeugung verantwortlich ist. Heiße Abgase werden aus der Brennkammer durch eine engere Kontraktion beschleunigt und dann aus dem Ausgang expandiert. Bei diesem Vorgang wird die Energie der Verbrennungsgase in kinetische Energie umgewandelt.

Die vollständige Entwicklung eines Triebwerks für eine Orbitalrakete ist ein langwieriger und komplexer Prozess, der mehrere Iterationen von Entwurf, Fertigung und statischen Zündungstests erfordert. Dies stellt eine anspruchsvolle Aufgabe für die Projektleitung dar.

Da sich der Bereich der Mikro- und Mini-Trägerraketen zu einem derart wettbewerbsintensiven Umfeld entwickelt hat, ist eine schnelle Iteration sowohl eine technologische als auch eine kommerzielle Notwendigkeit.

In Anbetracht der technischen Herausforderungen: Die hohe Temperatur im Inneren einer Düse erfordert eine Kühlung der Wände so nahe wie möglich an der Wärmequelle, um ein Schmelzen der Komponenten zu vermeiden. Diese Kühlung erfolgt in der Regel über an der Düse angebrachte Rohre und wird komplexer, wenn die Düse kompakter ist, um den Antriebsanforderungen kleinerer Trägerraketen gerecht zu werden.

Lösung für eine 3D-gedruckte Raketendüse

In den Düsen von Raketentriebwerken erhitzen sich die Abgase auf etwa 3000 °C. Bei der Konstruktion der Düse war es wichtig zu bedenken, dass alle verfügbaren Legierungen b e i so hohen Temperaturen nicht standhalten würden.

Alle Kühlfunktionen wurden in die Düse integriert, so dass sie die heißen Gase leiten kann und dabei ihre Form und Leistung beibehält. Vor der Verbrennung dient der Treibstoff als Kühlmittel. Die Treibstoffe werden bei niedriger Temperatur gelagert und durch die internen Kanäle der Düse geleitet, bevor sie aufgefangen und zur Verbrennung in die Brennkammer eingeleitet werden.

Ergebnisse und Vorteile der additiven Fertigung

Das Teil wurde auf einer PBF-Maschine (Laser-Pulverbett-Fusion) gedruckt, der FormUp® 350 von AddUp. Dieses System mit offenen Parametern und einem integrierten Pulverrecyclingmodul fördert schnelle Iterationen und verkürzt die Zeit zwischen den Bauvorgängen, indem es die Vorbereitung der Baudatei schnell und einfach macht. Die verschiedenen Wiederbeschichtungssysteme (Rolle, Bürste und Silikonklinge) ermöglichen minimale Designeinschränkungen und eine große Auswahl an Metallpulvern. Diese Vorteile sind entscheidend für die Entwicklung von Düsen und anderen Raketenkomponenten.

• Die additive Fertigung von Metallen ermöglichte es, komplexe, integrierte Kühlkanäle zu schaffen; was mit herkömmlichen Techniken bei kleinen Motoren unmöglich ist. Die Herstellung dieser Düse, die normalerweise monatelange Arbeit mit herkömmlichen Schweißmethoden erfordert, dauerte nur 49 Stunden. Die Experten von AddUp haben sich beim Druck dieser neuen Düse für Inconel® 718 entschieden. Dieses Material hat hervorragende mechanische Eigenschaften und kann sehr hohen Temperaturen standhalten.

  Die Konstrukteure von Raketentriebwerken können nun schneller die Düsenform verbessern und mehr Tests in einem kürzeren Zeitraum durchführen. Die Ingenieure können auch die neue Designfreiheit nutzen, die die additive Fertigung mit sich bringt, und so die Triebwerksleistung weiter optimieren.

In dieser Fallstudie wird die Entwicklung eines optimierten Wärmetauschers für die Maschine Form Up® 350 vorgestellt. Ziel war es, die Wärmeableitung zu verbessern und die Abmessungen für eine einfache Installation anzupassen.

Industrie

Impression 3D métal

CHALLENGE

Réduire les coûts de production, les délais d’exécution et optimiser la dissipation thermique d’un échangeur thermique.

KEY BENEFITS

• Réduction de la taille de 64%
• Poids de la pièce divisé par 6
• Installation simplifiée
• Réduction des coûts et du temps de production
• Fiabilité accrue grâce à la conception monobloc

Réduction de la masse

Formes complexes

Canaux internes

Performance

Geschichte

Das Projekt zur Herstellung eines Wärmetauschers für die FormUp® 350-Maschine entstand aus dem Wunsch, das von PrintSky entwickelte Know-how zu nutzen. PrintSky ist ein Joint Venture, welches von AddUp, einem Hersteller von Metall-3D-Druckmaschinen, und Sogéclair, einem Anbieter innovativer Lösungen für eine sauberere und sicherere Mobilität, gegründet wurde. Ziel war es, d i e Vorteile einer optimierten additiven Fertigungslösung durch einen Vergleich mit herkömmlichen Methoden hergestellten System zu bewerten.

Das Teil, das für diese Anwendung ausgewählt wurde, ist der Kühler für den Abgasstrom des Schmelzrauchs. In einer L-PBF-Maschine, wie der FormUp 350 von AddUp, strömt ein Inertgasstrom durch die Fertigungskammer, der die beim Schmelzen entstehenden Dämpfe absaugt. Dieser Gasstrom, der in einem geschlossenen Kreislauf mit hoher Geschwindigkeit (mehrere Meter pro Sekunde) zirkuliert, erfordert ein effizientes Kühlsystem.

Herausforderungen

Eine der Hauptanforderungen des Projekts bestand darin, die Produktionskosten des Wärmetauschers niedriger oder gleichwertig mit der herkömmlichen Lösung zu halten und gleichzeitig seine Leistung zu optimieren, um die Wärmeableitung zu verbessern und seine Abmessungen anzupassen, um den Einbau in die Maschinen zu vereinfachen.

Für dieses innovative Projekt begannen die Ingenieure von AddUp bei Null. Sie definierten das zu erreichende Leistungsniveau, um einen Wärmetauscher zu entwickeln, der die Anforderungen der Anwendung perfekt erfüllt, ohne den Marktstandards zu entsprechen. Die internen Kanäle, Rippen und Schnittstellen wurden angepasst, um die Kompaktheit und die Leistung des Teils zu optimieren.

Die Konstrukteure nutzten die Kernkompetenzen von PrintSky, um die Geometrie, den Platzbedarf und die Produktionszeiten zu optimieren (unter Verwendung von hochproduktiven Rezepten). Interne Kanäle, Rippen und Schnittstellen wurden angepasst, um die Kompaktheit des Teils zu optimieren und gleichzeitig eine verbesserte Leistung zu gewährleisten. All dies wurde durch die Integration der Erfahrung von AddUp bei der Herstellung von Wärmetauschern erreicht.

Lösung

Die Konstrukteure von AddUp und Printsky entschieden sich dafür, die Geometrie und den Platzbedarf des Wärmetauschers sowie die Fertigungszeiten zu optimieren. Um dies zu erreichen, verwendeten sie hochproduktive Parameter und ließen die Erfahrung von AddUp im Bereich der Wärmetauscher in jede ihrer Designentscheidungen einfließen. Die Formen der Kühlrippen, zum Beispiel wurden so konzipiert, dass sie die Entfernung von ungeschmolzenem Pulver erleichtern. Dieser innovative Wärmetauscher und seine Anschlüsse wurden in CATIA entworfen, und die Kühlung wurde mit der Software Altair simuliert. Die gesamte Einheit wurde so konzipiert, dass sie in einem Stück gedruckt werden kann, wodurch sich die Montagezeiten im Vergleich zu herkömmlichen mechanisch geschweißten Wärmetauschern verringern.