3D εκτύπωση πολλαπλών μετάλλων για σημαντική μείωση του κόστους των ευρωπαϊκών πυραύλων

Σύνοψη

• Το ινστιτούτο Fraunhofer IGCV παρουσίασε μια νέα μέθοδο 3D εκτύπωσης πολλαπλών μετάλλων (multi-material laser beam melting) για την κατασκευή εξαρτημάτων πυραυλοκινητήρων.
• Η μέθοδος καταργεί την ανάγκη ξεχωριστής κατασκευής και συγκόλλησης τμημάτων, μειώνοντας τον χρόνο ανάπτυξης κατά αρκετές εβδομάδες.
• Επιτρέπει την ταυτόχρονη χρήση ασύμβατων κραμάτων, όπως η μίξη μαγνητικού και μη μαγνητικού χάλυβα, ή η σύνδεση τιτανίου και νικελίου μέσω ενός λεπτού στρώματος μολυβδαινίου.
• Αποτελεί κεντρικό πυλώνα του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος Enlighten ύψους 38 εκατ. ευρώ, ενισχύοντας την παραγωγή του πυραύλου Ariane 6.

Η ευρωπαϊκή βιομηχανία αεροδιαστημικής αναζητά διαρκώς τρόπους να καταστήσει την παραγωγή διαστημικών οχημάτων ταχύτερη και πιο αποδοτική οικονομικά. Το μεγαλύτερο ποσοστό του προϋπολογισμού για την κατασκευή ενός πυραύλου απορροφάται από τα συστήματα πρόωσης και ελέγχου προσανατολισμού. 

Με τα νέα δεδομένα της αγοράς να απαιτούν ταχύτητα και ακρίβεια, ερευνητές από το γερμανικό ινστιτούτο Fraunhofer IGCV προχώρησαν στην ανάπτυξη μιας προηγμένης μεθόδου 3D εκτύπωσης, ικανής να συνδυάζει πολλαπλά μέταλλα στην ίδια διαδικασία παραγωγής. 

Το συγκεκριμένο project αποτελεί τμήμα του χρηματοδοτούμενου από την ΕΕ προγράμματος Enlighten, προϋπολογισμού 38 εκατομμυρίων ευρώ, το οποίο στοχεύει στην τεχνολογική θωράκιση του προγράμματος Ariane 6 του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA).

Πώς λειτουργεί η 3D εκτύπωση πολλαπλών μετάλλων στην αεροδιαστημική;

Η τεχνολογία multi-material laser beam melting επιτρέπει την ταυτόχρονη τήξη διαφορετικών μεταλλικών σκονών μέσω laser κατά τη διάρκεια μιας ενιαίας εκτύπωσης. Αυτό δημιουργεί αυτόνομα λειτουργικά τμήματα με διαφορετικές μαγνητικές, μηχανικές ή θερμικές ιδιότητες στο ίδιο εξάρτημα, καταργώντας την ανάγκη για παραδοσιακές διαδικασίες μηχανουργικής κατεργασίας και συγκόλλησης διακριτών κομματιών.

Η παραδοσιακή κατασκευή ενός κινητήρα πυραύλου προϋποθέτει την παραγωγή πολλαπλών μεμονωμένων τμημάτων, τα οποία στη συνέχεια πρέπει να συγκολληθούν ή να συνδεθούν μηχανικά. Κάθε τέτοια σύνδεση αποτελεί ένα πιθανό σημείο αστοχίας κάτω από τις ακραίες θερμοκρασίες και τις δονήσεις της εκτόξευσης. Τα δεδομένα αλλάζουν ριζικά με τη νέα προσέγγιση:

• Ακριβής Τοπική Τήξη: Δύο ή περισσότερα υλικά σε μορφή σκόνης τήκονται τοπικά, επιτρέποντας στους μηχανικούς να ορίσουν με ακρίβεια ποιες ζώνες του εξαρτήματος θα έχουν συγκεκριμένες αντοχές.
• Μείωση Σημείων Αστοχίας: Η εξάλειψη των ραφών συγκόλλησης βελτιώνει τη δομική ακεραιότητα, καθώς το υλικό λειτουργεί ως ένα συνεχές, μονολιθικό σώμα με μεταβαλλόμενες ιδιότητες.
• Επιτάχυνση της Παραγωγής: Ο χρόνος σχεδιασμού και κατασκευής πρωτοτύπων μειώνεται δραματικά. Σύμφωνα με τον Constantin Jugert, ερευνητή του Fraunhofer IGCV, οι προσαρμογές στα εξαρτήματα γίνονται στον υπολογιστή και εκτυπώνονται άμεσα, εξοικονομώντας εβδομάδες ανάπτυξης.

Ως πρωτότυπο, η ομάδα του Fraunhofer κατασκεύασε μια βαλβίδα ελέγχου εναλλάσσοντας μαγνητικά και μη μαγνητικά κράματα χάλυβα, ένα εξάρτημα απολύτως απαραίτητο για τη σταθεροποίηση του πυραύλου κατά την πτήση.

Η τεχνική πρόκληση: Συγκόλληση τιτανίου και νικελίου

Για την αποφυγή ρωγμών κατά την ένωση ασύμβατων μετάλλων, όπως το τιτάνιο και το νικέλιο, το Fraunhofer IGCV ενσωμάτωσε ένα ενδιάμεσο μεταβατικό στρώμα μολυβδαινίου. Αυτή η γέφυρα απορροφά τις μηχανικές εντάσεις και αποτρέπει τη δημιουργία εύθραυστων ενώσεων, εξασφαλίζοντας τη δομική σταθερότητα του εξαρτήματος υπό ακραίες συνθήκες πτήσης.

Η συνένωση υλικών με εντελώς διαφορετικές θερμοδυναμικές ιδιότητες δεν είναι απλή υπόθεση. Το τιτάνιο φημίζεται για την αντοχή του σε σχέση με το βάρος του, ενώ το κράμα νικελίου αντέχει σε τεράστια θερμικά φορτία. Ωστόσο, όταν γίνεται προσπάθεια άμεσης συγκόλλησης αυτών των δύο:

• Δημιουργία εύθραυστων φάσεων: Η άμεση επαφή τιτανίου και νικελίου υπό θερμότητα δημιουργεί εύθραυστες διαμεταλλικές ενώσεις, οι οποίες καταρρέουν υπό μηχανική καταπόνηση.
• Η λύση του μολυβδαινίου: Χρησιμοποιώντας τις δυνατότητες της multi-material 3D εκτύπωσης, η προσθήκη μιας μικρο-στρώσης μολυβδαινίου στο σημείο επαφής λειτουργεί ως χημική ασπίδα. Το υλικό αυτό έχει την ικανότητα να συνδέεται αρμονικά και με τα δύο μέταλλα, δημιουργώντας ένα εξάρτημα ικανό να διαχειριστεί ακραία θερμική διαστολή και συστολή.

Η στρατηγική σημασία για το πρόγραμμα Ariane και τον ESA

Η τεχνολογία πολυμεταλλικής εκτύπωσης αυτοματοποιεί την παραγωγή εξαρτημάτων για τον πύραυλο Ariane 6, μειώνοντας δραστικά το κόστος της ευρωπαϊκής πρόσβασης στο διάστημα. Η εξάλειψη της εξάρτησης από πολλαπλούς προμηθευτές μεμονωμένων εξαρτημάτων καθιστά την αλυσίδα εφοδιασμού της ESA πιο ευέλικτη και αυτόνομη.

Ο ευρωπαϊκός διαστημικός τομέας δέχεται τεράστια πίεση από τον διεθνή ανταγωνισμό (όπως η SpaceX). Το πρόγραμμα Enlighte", στο οποίο εντάσσεται το έργο του Fraunhofer, έχει σχεδιαστεί ακριβώς για να δώσει στην Ευρώπη τα εργαλεία για βιώσιμη, μαζική παραγωγή διαστημικών οχημάτων.

• Μαζική Παραγωγή με Ευελιξία: Αντί για την καθιέρωση μιας γραμμής παραγωγής που παράγει το ίδιο στατικό εξάρτημα, οι 3D εκτυπωτές επιτρέπουν την άμεση αναβάθμιση του σχεδιασμού με μια απλή ενημέρωση λογισμικού.
• Μείωση Βάρους: Η απόλυτη διαχείριση της εσωτερικής γεωμετρίας και της κατανομής των μετάλλων επιτρέπει τη δημιουργία εξαρτημάτων που είναι ελαφρύτερα, αλλά εξίσου ανθεκτικά. Η εξοικονόμηση έστω και μερικών κιλών μεταφράζεται σε σημαντική αύξηση του ωφέλιμου φορτίου που μπορεί να μεταφέρει ο πύραυλος.

Με τη ματιά του Techgear

Εξετάζοντας τα δεδομένα της τεχνολογίας του Fraunhofer IGCV, είναι σαφές ότι περνάμε από τη θεωρητική υπεροχή του 3D printing στη βιομηχανική πρακτικότητα των πλέον απαιτητικών εφαρμογών. Αυτό που έχει ιδιαίτερο τεχνικό ενδιαφέρον δεν είναι μόνο το τελικό αποτέλεσμα, αλλά η «φυσική υπογραφή» αυτών των εκτυπωμένων αντικειμένων πριν υποστούν τη λείανση των εργαλειομηχανών CNC.

Κοιτώντας από κοντά ένα ακατέργαστο πρωτότυπο από τις δοκιμές, η μετάβαση από τον μαγνητικό στον μη μαγνητικό χάλυβα, ή η παρεμβολή του μολυβδαινίου μεταξύ τιτανίου και νικελίου, παρουσιάζει μια χαρακτηριστική οπτική και υλική τραχύτητα. Οι μικροσκοπικές, κυματιστές στρώσεις των ραφών θερμικής τήξης μαρτυρούν τον απόλυτο έλεγχο του λέιζερ πάνω στις μεταλλικές σκόνες. Παράλληλα, όταν κρατάς το εξάρτημα, το βάρος του διαφέρει ελαφρώς στις άκρες σε σχέση με το κέντρο, ακριβώς επειδή το "ειδικό βάρος" του μετάλλου μεταβάλλεται ηθελημένα εντός του ίδιου ενιαίου σώματος.

Το πρόγραμμα Enlighten δεν αφορά απλώς την αποστολή ενός πυραύλου. Αποδεικνύει ότι ο έλεγχος της ευρωπαϊκής εφοδιαστικής αλυσίδας στην αεροδιαστημική θα εξαρτηθεί άμεσα από την κυριαρχία στις προηγμένες μεθόδους της Additive Manufacturing. Είναι βέβαιο πως στο άμεσο μέλλον, τα κατασκευαστικά πρότυπα που ορίζονται σήμερα στα εργαστήρια του Fraunhofer θα αποτελέσουν την υποχρεωτική νόρμα για κάθε ανάδοχο και υπεργολάβο της ESA, επηρεάζοντας άμεσα και την εγχώρια ερευνητική κοινότητα.