Von Monaten auf Tage: Diese 3D-Druck-Methode könnte den Bau von Raketendüsen beschleunigen
Dieses hybride Festkörper-Fertigungsverfahren umgeht die Einschränkungen des Laserschmelzens, um die Durchlaufzeiten für komplexe Luft- und Raumfahrtbauteile drastisch zu verkürzen.
SpaceX, Launcher, Ursa Major und andere Hersteller von Raketentriebwerken nutzen die Metall-Pulverbettfusion für die Bauteilproduktion. Forscher haben jedoch gerade gezeigt, dass eine andere additive Fertigungsmethode, das Kaltgasspritzen, schneller und konsistenter sein könnte.
Ingenieure am National Manufacturing Institute Scotland (NMIS) entwickelten eine hybride Fertigungsroute, die auf Hochdruck-Kaltgasspritzen basiert. Im Gegensatz zu schmelzbasierten Verfahren trägt das Kaltgasspritzen Material im festen Zustand auf. Dadurch wird ein Schmelzen vermieden und das Risiko von thermischem Verzug oder Materialverschleiß verringert, das bei herkömmlichen Schweißverfahren auftritt, so die Forscher.
Kaltgasspritzen ist eine Fertigungstechnologie, bei der Metallpulver mit Überschallgeschwindigkeit aufgesprüht werden, um sie zu verbinden, ohne sie aufzuschmelzen, wodurch fast keine thermische Belastung entsteht. Die Kerntechnologie wurde in den 1990er Jahren zunächst als Beschichtungsmethode entwickelt und später auf die Herstellung und Reparatur freistehender Bauteile ausgeweitet.
Es handelt sich um eine hybride Fertigungsroute: Kaltgasspritzen für den schnellen Aufbau der groben Kupferstruktur und anschließende maschinelle Bearbeitung oder andere Verfahren zur Endbearbeitung kritischer Oberflächen. Diese Methode kann die langen Durchlaufzeiten und den Materialabfall herkömmlicher Fertigung oder schwerer Zerspanung reduzieren und dabei die Größen- und Zeitbeschränkungen der Pulverbettfusion umgehen. Das NMIS beschreibt seine kaltgasgespritzte Kupfer-Raketendüse als Machbarkeitsnachweis für hohe Auftragsraten, verbesserte Materialeffizienz und großformatige Bauteile mit innenliegenden Strukturen.
„Dieses Projekt ist ein wichtiger Meilenstein, der zeigt, wie fortschrittliche Fertigung auf komplexe Raketentriebwerkskomponenten angewendet werden kann“, sagt Calum Hicks, Senior Technologist bei der Digital Factory, NMIS. „Die Entwicklung der Kupfer-Raketendüse ermöglichte es uns, neue Ansätze zur Herstellung leistungsstarker Wärmemanagementstrukturen zu erforschen, Entwicklungszeiten zu verkürzen und die Produktionseffizienz zu steigern. Diese Arbeit stärkt die Fähigkeiten Großbritanniens im Raumfahrtsektor und darüber hinaus.“
Kupferbauteile, insbesondere solche mit komplexen internen Kühlkanälen, sind in Raketenbrennkammern und -düsen von entscheidender Bedeutung. Diese arbeiten in extremen thermischen Umgebungen, in denen die Temperaturen den Schmelzpunkt der Strukturmaterialien überschreiten können.
Die Herstellung solcher Bauteile stellt seit langem eine fertigungstechnische Herausforderung dar. Traditionelle Methoden umfassen oft mehrere Fertigungsstufen, umfangreiche Zerspanung und lange Produktionszeiten. Obwohl additive Fertigungsverfahren mehr Designfreiheit bieten, sind sie oft durch das Bauvolumen begrenzt, und Kupfer bringt zusätzliche Schwierigkeiten mit sich.
Am NMIS wurde die Hauptstruktur der Düse Schicht für Schicht mittels Kaltgasspritzen durch schnelle Kupferabscheidung aufgebaut. Laut NMIS kann das Verfahren Auftragsraten von bis zu 10 kg pro Stunde erreichen, was die Produktionszeiten von Monaten auf Tage verkürzen und gleichzeitig den Materialabfall im Vergleich zur konventionellen Zerspanung reduzieren könnte.
Die Einrichtung gab nicht an, welche Druckermarke zur Herstellung der Düse verwendet wurde, erklärte aber öffentlich, dass ihre Kaltgasspritzanlage mit einem Impact Innovations 6/11-System ausgestattet ist. Dieser Hersteller von Kaltgasspritzanlagen hat bereits früher beschrieben, wie er mit dieser Methode interne Kanäle erzeugt: Zunächst wird eine Brennkammer aus einer Kupferlegierung um einen entfernbaren Dorn gedruckt. Der Dorn, der oft aus einer Aluminiumlegierung besteht, definiert die Innenform der Kammer. Sobald genügend Material aufgetragen wurde, wird der Prozess pausiert, damit die Oberfläche maschinell bearbeitet und die Rillen der regenerativen Kühlkanäle in die Kupferschicht gefräst werden können. Die offenen Kanäle werden dann vorübergehend mit einem auflösbaren Material gefüllt. Anschließend wird das Kaltgasspritzen fortgesetzt, um die Kanäle zu schließen und die Kammer bis zu ihrer endgültigen Wandstärke aufzubauen. Schließlich wird der Dorn durch maschinelle Bearbeitung oder chemische Auflösung entfernt, und das Füllmaterial im Inneren der Kanäle wird chemisch weggeätzt, sodass offene Durchgänge für den Kühlmittelfluss entstehen.
In der Praxis kombiniert der Prozess die schnelle Kupferabscheidung im festen Zustand mit subtraktiver Bearbeitung und Opferfüllmaterial, um komplexe, regenerativ gekühlte Raketenbrennkammern herzustellen, ohne auf Laserschmelzen angewiesen zu sein.
Obwohl die Düse noch nicht durch vollständige Raketentriebwerkstests validiert wurde, zeigt der Demonstrator laut NMIS, dass großformatige, leistungsstarke Kupferbauteile mithilfe von Hochdruck-Kaltgasspritzen hergestellt werden können.
Dieses Projekt konzentrierte sich auf eine Weltraumanwendung, doch das NMIS sieht ein breiteres Potenzial für die Technologie in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Energiewirtschaft und dem Schiffbau, wo robuste und korrosionsbeständige Materialien erforderlich sind. Das Verfahren könnte auch für Reparaturen und Wiederaufarbeitung genutzt werden, um die Lebensdauer bestehender Komponenten zu verlängern.
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