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

La construcción de la próxima generación de naves espaciales requiere materiales que sean increíblemente fuertes y lo suficientemente ligeros para volar. Durante décadas, los ingenieros han dependido de métodos tradicionales para dar forma al metal, pero estas técnicas suelen tener dificultades al crear las curvas grandes y complejas necesarias para los tanques de combustible. Un enfoque más nuevo, conocido como fabricación aditiva por arco de alambre, ofrece un camino diferente. En lugar de recortar un bloque de metal para darle el tamaño adecuado, este método construye un objeto hacia arriba, capa por capa, utilizando un brazo robótico que actúa como un soplete de soldadura altamente preciso. Funde un alambre delgado de metal y lo deposita en un patrón específico, fusionándolo en una estructura sólida. Si bien esta técnica tiene una gran promesa para la creación de piezas masivas rápidamente, enfrenta un obstáculo significativo: el calor intenso requerido para fundir el metal hace que el material se deforme y se distorsione al enfriarse. A lo largo de la construcción de un objeto grande, estas pequeñas deformaciones pueden acumularse, lo que resulta en una forma final demasiado torcida o débil para ser útil.

Para resolver este problema, investigadores de la Corporación Shimizu y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón se propusieron combinar la velocidad de este método de construcción basado en la soldadura con la precisión del mecanizado tradicional. Desarrollaron un sistema híbrido donde un robot no solo añade metal, sino que también lo elimina. Al integrar una herramienta de fresado y un escáner láser en la misma celda robótica, el sistema puede medir la altura de cada nueva capa mientras se está construyendo y ajustar la trayectoria del robot en tiempo real. Si el metal se amontona demasiado o se deforma, el robot puede pausar la soldadura, desbastar el exceso de material para crear una superficie perfectamente plana y luego continuar construyendo. Este proceso asegura que el objeto final mantenga su forma prevista, incluso cuando el calor intenta desalinearlo. El equipo puso a prueba este sistema construyendo un modelo a escala real de un tanque de propulsor, el tipo de recipiente que contendría combustible para un cohete, y luego lo sometió a una presión extrema para ver si podía resistir.

Los investigadores construyeron un tanque demostrador que medía 1.1 metros de alto, con una sección ancha de un metro de ancho y una sección más estrecha de medio metro de ancho. Las paredes de este tanque fueron construidas con alambre de aleación de aluminio, depositado en capas para alcanzar un espesor de cinco milímetros. Para mantener la estructura rígida durante el largo proceso de añadir capa tras capa, el equipo introdujo refuerzos en forma de anillo dentro del tanque, los cuales fueron soldados manualmente en su lugar antes de que el robot reanudara su trabajo. Una parte crítica de su éxito fue el uso de un perfilador láser que escaneaba la superficie del tanque diez veces por segundo mientras el robot soldaba. Esto permitió que el sistema verificara constantemente la altura del metal que se estaba añadiendo y ajustara automáticamente los movimientos del robot para mantener las capas uniformes. El resultado fue una carcasa de metal sin costuras que mantuvo un espesor de pared constante, a pesar de los desafíos de construir un objeto tan grande con alto calor.

Una vez completado el tanque, el equipo necesitaba verificar si era lo suficientemente fuerte como para funcionar como un contenedor de combustible real. Sellaron la parte superior con una tapa metálica y llenaron el tanque con agua para realizar una prueba de presión hidrostática. Este método es seguro y efectivo para probar la resistencia porque el agua no se puede comprimir como el aire, lo que significa que el tanque no explotará violentamente si falla. Aumentaron lentamente la presión dentro del tanque, observando de cerca cómo el metal se estiraba y se deformaba. El tanque se mantuvo firme hasta que la presión interna alcanzó 1.7 megapascales, momento en el que finalmente estalló. Sin embargo, la ruptura ocurrió en la unión donde la tapa soldada manualmente se encontraba con el tanque construido por el robot, no en el cuerpo principal del tanque mismo. Esto indicó que la unión soldada era el punto más débil, y no las paredes de metal creadas por el proceso aditivo.

La verdadera medida del rendimiento del tanque provino del análisis del momento en que el metal comenzó a estirarse permanentemente, un punto conocido como presión de fluencia. Al medir la deformación en la superficie del tanque con galgas sensibles, los investigadores encontraron que la sección cilíndrica del tanque comenzó a ceder a una presión de 1.30 megapascales, mientras que la sección curva inferior cedió a 1.38 megapascales. Estas cifras eran notablemente cercanas a lo que el equipo había predicho utilizando simulaciones por computadora basadas en la resistencia conocida del alambre de aluminio que utilizaron. Las simulaciones habían estimado una presión de fluencia de aproximadamente 1.37 megapascales para el cilindro y 1.38 megapascales para la cúpula. La estrecha coincidencia entre la prueba física y el modelo computacional confirmó que el metal producido por el proceso de soldadura robótica era tan fuerte como el material bruto utilizado para fabricar el alambre.

El estudio también examinó si los refuerzos internos en forma de anillo marcaban una diferencia significativa en la capacidad del tanque para resistir la presión. Los modelos computacionales sugerían que añadir estos anillos mejoraba la resistencia a la presión en solo un cinco por ciento, una ganancia relativamente pequeña. Los datos experimentales respaldaron esto, mostrando que el tanque funcionó bien incluso sin depender fuertemente de los refuerzos para su fuerza primaria. Los investigadores señalaron que las ligeras diferencias entre sus predicciones y los resultados de la prueba real probablemente se debieron a simplificaciones en sus modelos computacionales, como no tener en cuenta la forma exacta de la tapa soldada manualmente o las variaciones menores en el espesor de la pared. No obstante, el hallazgo central permaneció claro: el sistema de fabricación híbrido produjo con éxito un tanque de aluminio grande y complejo que cumplía con los requisitos de resistencia teórica.

Este trabajo demuestra que es posible construir componentes aeroespaciales a escala de metros utilizando una combinación de técnicas aditivas y sustractivas sin sacrificar la integridad estructural. La clave de este éxito fue la capacidad de corregir los errores a medida que ocurrían, evitando la acumulación de defectos que suele afectar a los proyectos de soldadura a gran escala. Aunque el equipo identificó áreas de mejora, como mejorar la calidad del metal en los puntos donde se reiniciaba el proceso de soldadura, el experimento general demostró la viabilidad del enfoque. El tanque resistió la presión exactamente como lo predijeron las leyes de la física, lo que sugiere que este método híbrido podría convertirse en una forma confiable de fabricar las estructuras grandes y ligeras necesarias para la futura exploración espacial.