Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

Der Bau der nächsten Generation von Raumfahrzeugen erfordert Materialien, die sowohl unglaublich stark als auch leicht genug sind, um zu fliegen. Jahrzehntelang haben Ingenieure sich auf traditionelle Methoden zur Formgebung von Metall verlassen, doch diese Techniken stoßen oft an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die großen, komplexen Kurven zu fertigen, die für Treibstofftanks benötigt werden. Ein neuerer Ansatz, bekannt als Drahtlichtbogen-Additive-Fertigung (Wire Arc Additive Manufacturing), bietet einen anderen Weg. Anstatt einen Metallblock zurechtzuschneiden, baut diese Methode ein Objekt Schicht für Schicht auf, wobei ein Roboterarm wie ein hochpräziser Schweißbrenner fungiert. Er schmilzt einen dünnen Metalldraht und setzt ihn in einem spezifischen Muster ab, wodurch er zu einer soliden Struktur verschmilzt. Während diese Technik großes Versprechen besitzt, massive Bauteile schnell zu erstellen, steht sie vor einer erheblichen Hürde: Die intensive Hitze, die zum Schmelzen des Metalls erforderlich ist, führt dazu, dass sich das Material beim Abkühlen verzieht und verformt. Im Laufe des Aufbaus eines großen Objekts können sich diese kleinen Verformungen summieren, was zu einer Endform führt, die zu krumm oder zu schwach ist, um nutzbar zu sein.

Um dieses Problem zu lösen, setzten Forscher der Shimizu Corporation und der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) darauf, die Geschwindigkeit dieser schweißbasierten Fertigungsmethode mit der Präzision der traditionellen Zerspanung zu kombinieren. Sie entwickelten ein Hybridsystem, bei dem ein Roboter nicht nur Metall hinzufügt, sondern es auch entfernt. Durch die Integration eines Fräswerkzeugs und eines Laserscanners in dieselbe Roboterzelle kann das System die Höhe jeder neu aufgebauten Schicht messen und den Pfad des Roboters in Echtzeit anpassen. Wenn sich das Metall zu hoch aufhäuft oder sich verzieht, kann der Roboter den Schweißvorgang unterbrechen, das überschüssige Material abschleifen, um eine perfekt flache Oberfläche zu schaffen, und dann mit dem Aufbau fortfahren. Dieser Prozess stellt sicher, dass das Endobjekt seine beabsichtigte Form behält, selbst wenn die Hitze versucht, es aus der Ausrichtung zu ziehen. Das Team testete dieses System, indem es ein Modell eines Propellantentanks im Maßstab konstruierte – die Art von Behälter, der Treibstoff für eine Rakete halten würde – und setzte ihn anschließend extremem Druck aus, um zu prüfen, ob er standhalten konnte.

Die Forscher bauten einen Demonstrationsbehälter, der 1,1 Meter hoch war, mit einem breiten Abschnitt von einem Meter Durchmesser und einem schmaleren Abschnitt von einem halben Meter Durchmesser. Die Wände dieses Tanks wurden aus Aluminiumlegierungsdraht gefertigt, der in Schichten aufgetragen wurde, um eine Dicke von fünf Millimetern zu erreichen. Um die Struktur während des langwierigen Prozesses des Schicht-für-Schicht-Aufbaus steif zu halten, fügte das Team ringförmige Versteifungen in den Tank ein, die manuell vor dem Fortfahren der Arbeit des Roboters eingeschweißt wurden. Ein entscheidender Teil ihres Erfolgs war der Einsatz eines Laserprofilers, der die Oberfläche des Tanks zehnmal pro Sekunde scannte, während der Roboter schweißte. Dies ermöglichte es dem System, ständig die Höhe des aufgetragenen Metalls zu überprüfen und die Bewegungen des Roboters automatisch anzupässe, um die Schichten gleichmäßig zu halten. Das Ergebnis war eine nahtlose Metallhülle, die trotz der Herausforderungen des Aufbaus eines so großen Objekts mit hoher Hitze eine konstante Wandstärke beibehielt.

Nachdem der Tank fertiggestellt war, musste das Team verifizieren, ob er stark genug war, um als echter Treibstoffbehälter zu fungieren. Sie versiegelten die Oberseite mit einer Metalldeckel und füllten den Tank mit Wasser, um eine hydrostatische Druckprüfung durchzuführen. Diese Methode ist sicher und effektiv, um die Festigkeit zu testen, da Wasser im Gegensatz zu Luft nicht komprimierbar ist, was bedeutet, dass der Tank bei einem Versagen nicht explosionsartig bersten wird. Sie erhöhten den Druck im Inneren des Tanks langsam und beobachteten genau, wie sich das Metall dehnte und verformte. Der Tank hielt stand, bis der Innendruck 1,7 Megapascal erreichte, bei dem er schließlich platzte. Die Ruptur trat jedoch an der Nahtstelle auf, an der der manuell geschweißte Deckel auf den robotergefertigten Tank traf, und nicht am Hauptkörper des Tanks selbst. Dies deutete darauf hin, dass die Schweißverbindung der schwächste Punkt war und nicht die durch den additiven Prozess erzeugten Metallwände.

Das wahre Maß für die Leistung des Tanks ergab sich aus der Analyse des Augenblicks, in dem das Metall begann, sich dauerhaft zu dehnen, ein Punkt, der als Fließdruck bekannt ist. Durch die Messung der Dehnung an der Oberfläche des Tanks mit empfindlichen Sensoren fanden die Forscher heraus, dass der zylindrische Abschnitt des Tanks bei einem Druck von 1,30 Megapascal zu fließen begann, während der gewölbte Bodenabschnitt bei 1,38 Megapascal floss. Diese Zahlen lagen bemerkenswert nah an dem, was das Team mithilfe von Computersimulationen basierend auf der bekannten Festigkeit des verwendeten Aluminiumdrahtes vorhergesagt hatte. Die Simulationen hatten einen Fließdruck von etwa 1,37 Megapascal für den Zylinder und 1,38 Megapascal für die Kuppel geschätzt. Die enge Übereinstimmung zwischen dem physischen Test und dem Computermodell bestätigte, dass das durch den robotergestützten Schweißprozess erzeugte Metall genauso stark war wie das Rohmaterial des Drahtes.

Die Studie untersuchte auch, ob die internen Ringversteifungen einen signifikanten Unterschied bei der Widerstandsfähigkeit des Tanks gegen Druck machten. Die Computermodelle deuteten darauf an, dass das Hinzufügen dieser Ringe die Druckfestigkeit nur um etwa fünf Prozent verbesserte, was einen relativ geringen Gewinn darstellt. Die experimentellen Daten bestätigten dies und zeigten, dass der Tank auch ohne eine starke Abhängigkeit von den Versteifungen für seine primäre Festigkeit gut funktionierte. Die Forscher merkten an, dass die geringfügigen Abweichungen zwischen ihren Vorhersagen und den tatsächlichen Testergebnissen wahrscheinlich auf Vereinfachungen in ihren Computermodellen zurückzuführen waren, wie etwa der Nichtberücksichtigung der exakten Form des manuell geschweißten Deckels oder geringfügiger Variationen in der Wandstärke. Dennoch blieb die Kernbotschaft klar: Das hybride Fertigungssystem produzierte erfolgreich einen großen, komplexen Aluminiumtank, der die theoretischen Festigkeitsanforderungen erfüllte.

Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, Luftfahrtkomponenten im Meterbereich durch eine Kombination aus additiven und subtraktiven Techniken zu bauen, ohne die strukturelle Integrität zu opfern. Der Schlüssel zu diesem Erfolg war die Fähigkeit, Fehler während des Entstehens zu korrigieren und so die Akkumulation von Defekten zu verhindern, die große Schweißprojekte normalerweise plagt. Obwohl das Team Bereiche zur Verbesserung identifizierte, wie etwa die Optimierung der Metallqualität an den Stellen, an denen der Schweißprozess neu gestartet wurde, bewies das Gesamtexperiment die Machbarkeit des Ansatzes. Der Tank hielt dem Druck genau so stand, wie es die Gesetze der Physik vorhersagten, was darauf hindeutet, dass diese hybride Methode zu einer zuverlässigen Methode für die Herstellung der großen, leichten Strukturen werden könnte, die für die zukünftige Weltraumforschung benötigt werden.