EOS: Additive Manufacturing Additiv sicherer und wirtschaftlicher

In Zusammenarbeit mit EOS hat es die Ariane Group geschafft, einen thermisch und mechanisch hochbelasteten Einspritzkopf für die künftige Rakete Ariane 6 aus nur einem statt bisher 248 Bauteilen herzustellen.

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In der Raumfahrt beruht der Erfolg von Missionen, die meist mehrere hundert Millionen Euro an Investitionen erfordern, häufig auf der Funktion einiger weniger Bauteile. Raumfahrtunternehmen bezeichnen das als «Mission Critical». Deshalb optimieren Spezialisten fortlaufend die eingebauten Komponenten und deren Funktion. Diese müssen vor allem robust sein und unter widrigsten Bedingungen funktionieren. Als lohnend erweist sich, die Anzahl der Bauteile zu reduzieren. Das vereinfacht die Fertigung, minimiert den Mess- und Prüfaufwand und reduziert erheblich die Ausfallwahrscheinlichkeit. Mit einem All-in-One-Design (AiO) ist dies zum Beispiel für einen Einspritzkopf gelungen.

Funktionen integrieren

Um die künftige Trägerrakete Ariane 6 zu entwickeln und zu verwirklichen, hat die Europäische Weltraumorganisation ESA das Gemeinschaftsunternehmen der Airbus Group und des französischen Konzerns Safran, die heutige Ariane Group, beauftragt. Ab dem Jahr 2025 soll diese Rakete den Europäern einen kostengünstigen, international wettbewerbsfähigen Weg ins All sichern. Da öffentliche Fördermittel entfallen, versucht der Hersteller bei der Entwicklung und beim Bau der Rakete die Kosten deutlich zu reduzieren. Das Unternehmen fokussiert dabei auf das Oberstufentriebwerk, das die Rakete nach dem Verlassen des erdnahen Orbits antreibt.

In einem Raketentriebwerk wirken enorm hohe Kräfte unter extremen Bedingungen. Deshalb muss es äusserst zuverlässig und präzise arbeiten. Der Einspritzkopf ist eines der zentralen Elemente des Triebwerks. Er bringt das Treibstoffgemisch in den Brennraum. Konventionell hergestellt, besteht er aus 248 Bauteilen. Diese werden in einer Vielzahl an Fertigungsverfahren hergestellt und anschlies­send montiert. Durch die Bearbeitungsschritte, unter anderem Giessen, Löten, Schweissen und Bohren, entstehen Schwachstellen, die bei extremen Belastungen ein Risiko darstellen können. Darüber hinaus sind die vielen Bearbeitungen zeitaufwendig und komplex. Bei konventioneller Fertigung werden beispielsweise für die Einspritzelemente mehr als 8000 Querbohrungen in Kupferhülsen gebohrt. Anschließend müssen die Hülsen mit 122 Einspritzelementen exakt verschraubt werden. Nur so kann das Einspritzelement den durchströmenden Wasserstoff mit dem Sauerstoff sachgerecht vermischen.

Aus Sicht des Risikomanagements ist ein funktionsintegriertes Bauteil besser zu beurteilen. Sämtliche bisher einzeln gefertigten und montierten Komponenten werden als nur ein Bauteil hergestellt. Das reduziert zusätzlich die Vielzahl an ehemals erforderlichen Bearbeitungsschritten und kürzt somit die Produktionszeit. Das ist äusserst wirtschaftlich und entspricht somit auch den kaufmännischen Forderungen des Herstellers.

Mit additivem Verfahren Forderungen erfüllt

Inzwischen ist es gelungen, die Einspritzköpfe als nur ein Bauteil herzustellen und dabei sämtliche Funktionen zu integrieren. Dabei nutzte der Raketenhersteller Ariane Group Additive Verfahren von EOS. Dazu sagt Dr.-Ing. Steffen Beyer, Leiter Produktionstechnologie-Werkstoffe & Prozesse bei Ariane Group: «Die Herstellung des Einspritzkopfs aus einem Bauteil ist überhaupt nur mit EOS-Technologie realisierbar» und ergänzt: «Allein die additive Fertigung kann Funktionsintegration, Leichtbau, Designvereinfachung und die Reduzierung der Durchlaufzeiten in einem einzigen Bauteil zusammenbringen.»

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