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

Costruire la prossima generazione di veicoli spaziali richiede materiali che siano sia incredibilmente resistenti che abbastanza leggeri da poter volare. Per decenni, gli ingegneri si sono affidati a metodi tradizionali per dare forma ai metalli, ma queste tecniche spesso faticano nel creare le grandi e complesse curvature necessarie per i serbatoi di carburante. Un approccio più recente, noto come produzione additiva ad arco con filo (wire arc additive manufacturing), offre una strada diversa. Invece di tagliare un blocco di metallo per ridurlo alle dimensioni desiderate, questo metodo costruisce un oggetto verso l'alto, strato dopo strato, utilizzando un braccio robotico che agisce come una torcia saldatrice altamente precisa. Esso fonde un sottile filo di metallo e lo deposita secondo un modello specifico, fondendolo in una struttura solida. Sebbene questa tecnica prometta molto per la creazione rapida di parti massicce, affronta un ostacolo significativo: l'intenso calore necessario per fondere il metallo causa la deformazione e la distorsione del materiale durante il raffreddamento. Nel corso della costruzione di un oggetto di grandi dimensioni, queste piccole deformazioni possono accumularsi, portando a una forma finale troppo storta o debole per essere utile.

Per risolvere questo problema, i ricercatori della Shimizu Corporation e della Japan Aerospace Exploration Agency si sono posti l'obiettivo di combinare la velocità di questo metodo di costruzione basato sulla saldatura con la precisione della lavorazione tradizionale. Hanno sviluppato un sistema ibrido in cui un robot non si limita ad aggiungere metallo, ma lo rimuove anche. Integrando un utensile di fresatura e uno scanner laser nella stessa cella robotica, il sistema può misurare l'altezza di ogni nuovo strato mentre viene costruito e regolare la traiettoria del robot in tempo reale. Se il metallo si accumula troppo o si deforma, il robot può interrompere la saldatura, smerigliare l'eccesso di materiale per creare una superficie perfettamente piatta e poi riprendere la costruzione. Questo processo assicura che l'oggetto finale mantenga la forma prevista, anche quando il calore tenta di farlo uscire dall'allineamento. Il team ha messo alla prova questo sistema costruendo un modello in scala reale di un serbatoio di propellente, il tipo di contenitore che ospiterebbe il carburante per un razzo, e lo ha poi sottoposto a una pressione estrema per vedere se fosse in grado di resistere.

I ricercatori hanno costruito un serbatoio dimostrativo alto 1,1 metri, con una sezione larga un metro e una sezione più stretta di mezzo metro. Le pareti di questo serbatoio sono state costruite con filo di lega di alluminio, depositato in strati per raggiungere uno spessore di cinque millimetri. Per mantenere la struttura rigida durante il lungo processo di aggiunta di strato dopo strato, il team ha introdotto dei rinforzi anulari all'interno del serbatoio, che sono stati saldati manualmente in posizione prima che il robot riprendesse il lavoro. Una parte critica del loro successo è stato l'uso di un profilatore laser che ha scansionato la superficie del serbatoio dieci volte al secondo mentre il robot stava saldando. Ciò ha permesso al sistema di controllare costantemente l'altezza del metallo che veniva aggiunto e di regolare automaticamente i movimenti del robot per mantenere gli strati uniformi. Il risultato è stato un guscio metallico continuo che ha mantenuto uno spessore della parete costante, nonostante le sfide legate alla costruzione di un oggetto così grande con l'alto calore.

Una volta completato il serbatoio, il team doveva verificare che fosse abbastanza resistente da funzionare come un vero contenitore di carburante. Hanno sigillato la parte superiore con un coperchio metallico e riempito il serbatoio con acqua per eseguire un test di pressione idrostatica. Questo metodo è sicuro ed efficace per testare la resistenza perché l'acqua non può essere compressa come l'aria, il che significa che il serbatoio non esploderà violentemente in caso di cedimento. Hanno aumentato lentamente la pressione all'interno del serbatoio, osservando attentamente come il metallo si tendeva e si deformava. Il serbatoio ha retto finché la pressione interna non ha raggiunto 1,7 megapascal, momento in cui è infine scoppiato. Tuttavia, la rottura è avvenuta nella giuntura dove il coperchio saldato manualmente incontrava il serbatoio costruito dal robot, e non nel corpo principale del serbatoio stesso. Ciò ha indicato che la giunzione saldata era il punto più debole, piuttosto che le pareti metalliche create dal processo additivo.

La vera misura delle prestazioni del serbatoio è arrivata dall'analisi del momento in cui il metallo ha iniziato a deformarsi permanentemente, un punto noto come pressione di snervamento. Misurando la deformazione sulla superficie del serbatoio con sensori delicati, i ricercatori hanno scoperto che la sezione cilindrica del serbatoio ha iniziato a cedere a una pressione di 1,30 megapascal, mentre la sezione curva inferiore ha ceduto a 1,38 megapascal. Questi numeri erano sorprendentemente vicini a quanto previsto dal team tramite simulazioni al computer basate sulla resistenza nota del filo di alluminio utilizzato. Le simulazioni avevano stimato una pressione di snervamento di circa 1,37 megapascal per il cilindro e 1,38 megapascal per la cupola. La stretta corrispondenza tra il test fisico e il modello al computer ha confermato che il metallo prodotto dal processo di saldatura robotica era forte quanto il materiale grezzo utilizzato per produrre il filo.

Lo studio ha anche esaminato se i rinforzi anulari interni facessero una differenza significativa nella capacità del serbatoio di resistere alla pressione. I modelli al computer suggerivano che l'aggiunta di questi anelli migliorava la resistenza alla pressione solo di circa il cinque per cento, un guadagno relativamente piccolo. I dati sperimentali hanno confermato questo dato, mostrando che il serbatoio ha performato bene anche senza fare affidamento pesantemente sui rinforzi per la sua forza primaria. I ricercatori hanno osservato che le lievi differenze tra le loro previsioni e i risultati del test effettivo derivavano probabilmente dalle semplificazioni dei loro modelli al computer, come il non aver tenuto conto della forma esatta del coperchio saldato manualmente o delle piccole variazioni nello spessore della parete. Tuttavia, il nucleo della scoperta rimaneva chiaro: il sistema di produzione ibrido ha prodotto con successo un grande e complesso serbatoio di alluminio che soddisfaceva i requisiti di resistenza teorica.

Questo lavoro dimostra che è possibile costruire componenti aerospaziali di scala metrica utilizzando una combinazione di tecniche additive e sottrattive senza sacrificare l'integrità strutturale. La chiave di questo successo è stata la capacità di correggere gli errori mentre accadevano, prevenendo l'accumulo di difetti che solitamente affligge i progetti di saldatura su larga scala. Sebbene il team abbia identificato aree di miglioramento, come l'incremento della qualità del metallo nei punti in cui il processo di saldatura veniva riavviato, l'esperimento complessivo ha provato la fattibilità dell'approccio. Il serbatoio ha retto alla pressione esattamente come previsto dalle leggi della fisica, suggerendo che questo metodo ibrido potrebbe diventare un modo affidabile per fabbricare le grandi e leggere strutture necessarie per la futura esplorazione spaziale.