Motor bol vytvorený za pár dní pomocou procesu SLM

Dobre premyslené chladenie, stabilná ľahká konštrukcia a materiál, ktorý sa ťažko obrába - to je prípad aditívnej výroby. Procesom SLM sa v krátkom čase vytvoril monolitický motor.

Cellcore a SLM Solutions vyrábajú motor z materiálu IN718 pomocou procesu SLM, ktorý kombinuje niekoľko jednotlivých komponentov do jedného komponentu.

Použitím procesu aditívnej výroby sa mohol výrobný čas skrátiť na päť pracovných dní.

Pomocou technológie SLM je možné dosiahnuť značné úspory nákladov úsporou drahých a časovo náročných výrobných krokov a zjednodušením štruktúry motora.

V konvenčnej konštrukcii sú chladiace kanály vyfrézované na polotovar a potom sú opäť uzavreté v mnohých pracovných krokoch. Ak chcete vyrobiť motor so zložitými štruktúrami, znamená to, že celý výrobný proces trvá najmenej šesť mesiacov, a je preto veľmi nákladný. Požiadavky v leteckom priemysle sú tiež mimoriadne vysoké. Potrebná je nielen stála ľahká konštrukcia, ale aj materiály, ktoré vydržia obzvlášť vysoké zaťaženie.

Selektívne laserové tavenie (SLM, Selective Laser Melting) ponúka širokú škálu možností v oblasti aditívnej výroby komponentov na báze kovu. Môžu byť napríklad vyrobené priamo s vnútornými štruktúrami a v konzistentnej ľahkej konštrukcii. Ďalšou výhodou je integrácia viacerých komponentov do jedného komponentu. Táto funkčná integrácia a nízka úroveň nákladov na následné spracovanie vedú k značným úsporám nákladov vo výrobnom procese. Cellcore teraz pomocou raketového motora ukázal, ako je možné optimálne využiť výhody procesu SLM v leteckom priemysle. V spolupráci so spoločnosťou SLM Solutions bol z materiálu IN718 vytvorený monolitický obrobok.

Motor vyrábaný spoločnosťami Cellcore a SLM Solutions je ťahová komora, jadrový prvok kvapalinového motora so stenou spaľovacej komory, prívodom paliva a vstrekovacou hlavou so vstupom do okysličovadla. V spaľovacej komore dochádza k chemickej reakcii, pri ktorej sa uvoľňuje plyn. Tento plyn sa rozširuje v dôsledku vývoja tepla a je vypudzovaný obrovskou silou. To vytvára ťah potrebný na pohon rakety spätným rázom. Počas spaľovacieho procesu v komore vznikajú veľmi vysoké teploty, a preto musí byť stena ochladená, aby nehorela. Za týmto účelom je kvapalné palivo, petrolej alebo vodík, smerované nahor cez chladiace kanály v stene spaľovacej komory predtým, ako vstúpi do spaľovacej komory cez vstrekovaciu hlavu. Tam sa palivo zmieša s okysličovadlom a spaľuje sa pomocou sviečky.

Filigránové chladenie štruktúry pre zvýšenie účinnosti

Použitím procesu aditívnej výroby od SLM Solutions sa výrobný čas mohol skrátiť na päť pracovných dní, čo vedie k značnej úspore času a nákladov. Monolitický raketový motor vyrobený pomocou technológie SLM, pozostávajúci z injektora a prítlačnej komory, kombinuje integrálny dizajn, to znamená kombináciu mnohých jednotlivých komponentov v jednom komponente, s multifunkčnou ľahkou konštrukciou.

Základným prvkom je vnútorná štruktúra vyvinutá spoločnosťou Cellcore, ktorú je možné vyrobiť iba pomocou technológie SLM. Zaručuje stabilitu a je vhodný na prepravu tepla. Vlastnosti tohto štrukturálneho chladenia jasne prekonávajú konvenčné prístupy, ako sú obdĺžnikové, koncentrické chladiace kanály. Štrukturálne chladenie ponúka optimálny pomer medzi stabilitou a hmotnosťou a má nízky prietokový odpor a súčasne veľkú plochu. Je to nielen efektívnejšie, ale integruje aj ďalšie funkcie. Štruktúra mriežky tiež zaisťuje zníženie hmotnosti v porovnaní s bežne vyrábanými komponentmi.

Proces SLM spracováva zliatinu nikel-chróm

Spoločnosť SLM Solutions podporila spoločnosť Cellcore pri príprave komplexnej súčasti s cieľom pripraviť ju optimálne pre proces SLM. Zahŕňalo to vývoj špecifických parametrov pre geometriu komponentov vrátane optimalizácie downskin, ako aj optimálnej orientácie komponentov v inštalačnom priestore. Aby sa predišlo chybám, boli identifikované aj kritické oblasti výstavby, ktoré zabezpečili úspešnosť stavby. Za účelom splnenia vysokých materiálových požiadaviek v leteckom priemysle je motor vyrobený z nikel-chrómovej zliatiny IN718. IN718 je precipitačne vytvrditeľný materiál, ktorý má vynikajúcu pevnosť v ťahu, únavu, tečenie a zlomenie až do teploty 700 ° C. Vďaka tomu je IN718 dôležitou zliatinou pre komponenty lietadiel a plynových turbín, ako aj pre ďalšie rôzne vysokoteplotné aplikácie, ako napríklad raketový pohon. Pri konvenčnom spracovaní je materiál ťažko opracovateľný s veľkým opotrebením nástroja.

Motor bol vytlačený na stroji SLM 280 od spoločnosti SLM Solutions. Inštalačný priestor stroja je 280 mm × 280 mm × 365 mm a pracuje s patentovanou viacprúdovou technológiou. Manipulácia s práškom je regulovaná jednotkou na dodávanie prášku (PSV), ktorá eliminuje potrebu ručného doplňovania prášku pomocou jednotlivých fliaš s práškom. Dostupný prášok sa preosieva cez ultrazvukové sito integrované do PSV krátko pred jeho zavedením do procesu, aby sa do procesu výroby nemohli dostať žiadne nadmerné častice alebo cudzie telesá. Preprava prášku medzi PSV a SLM strojom je plne automatizovaná pomocou dopravníka plynu.

Po úspešnej konštrukčnej práci sa komponent najskôr vybalí a vyberie zo základnej dosky. Okrem toho sa odstránia nosné konštrukcie a komponent sa prepracuje. „Koncepčná štúdia ukazuje obrovský potenciál aditívnej výroby v leteckom a kozmickom priemysle aj v ďalších priemyselných odvetviach,“ s presvedčením hovorí Andreas Krüger, výkonný riaditeľ spoločnosti Cellcore. „Sme veľmi ohromení možnosťami technológie od spoločnosti SLM Solutions. Obzvlášť na nás urobí dojem vysoká úroveň detailov a kvalita veľmi jemnej multifunkčnej chladiacej konštrukcie. “ Pomocou technológie SLM je možné dosiahnuť značné úspory nákladov úsporou drahých a časovo náročných výrobných krokov a zjednodušením štruktúry motora. Pretože pri konvenčnej výrobe sa vstrekovacie prvky vyrábajú jednotlivo, individuálne sa upravujú a skrutkujú.

Zjednodušené následné spracovanie aj napriek zložitým štruktúram

Pre kyslík sú v puzdre vyfrézované aj drážky, ktoré musia byť zase opatrené krytom, aby plyn neprchal. Následné priskrutkovanie prebieha v čistej miestnosti. Početné pracovné kroky, ktoré si vyžadujú vlastné prepracovanie alebo prinajmenšom montáž, je možné skombinovať pri aditívnej výrobe a tým znížiť. Úsilie o následné spracovanie súčasti je minimalizované napriek zložitej štruktúre prostredníctvom aditívnej výroby. Taktiež sa zabráni vysokému opotrebovaniu nástroja.

V spoločnosti Cellcore ešte motor neskončil: „V súčasnosti pracujeme na princípe zobrazenom v rôznych projektoch,“ hovorí Krüger. „Týmto spôsobom je možné dosiahnuť obrovskú pridanú hodnotu napríklad pre komponenty motora a turbíny alebo pre nástroje s regulovanou teplotou.“

Aditívna výroba vysoko namáhaných komponentov v leteckom priemysle sa stáva čoraz rozšírenejšou. Prvé aditívne vyrobené rakety by mali vstúpiť do vesmíru v roku 2021.

* Kristal Kilgore je marketingová riaditeľka v SLM Solutions v 23560 Lübeck, Tel. (04 51) 40 60-30 00