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

Het bouwen van de volgende generatie ruimtevaartuigen vereist materialen die zowel ongelooflijk sterk als licht genoeg zijn om te kunnen vliegen. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op traditionele methoden om metaal te vormen, maar deze technieken hebben vaak moeite met het creëren van de grote, complexe krommingen die nodig zijn voor brandstoftanks. Een nieuwere aanpak, bekend als wire arc additive manufacturing, biedt een ander pad. In plaats van een blok metaal omlaag te snijden tot de juiste maat, bouwt deze methode een object op, laag voor laag, met behulp van een robotarm die fungeert als een zeer nauwkeurige lasbrander. Het smelt een dunne metaaldraad en zet deze af in een specifiek patroon, waardoor het versmelt tot een solide structuur. Hoewel deze techniek veel belofte inhoudt voor het snel creëren van massieve onderdelen, staat ze voor een aanzienlijke hindernis: de intense hitte die nodig is om het metaal te smelten, zorgt ervoor dat het materiaal vervormt en kromtrekt tijdens het afkoelen. Gedurende het proces van het bouwen van een groot object kunnen deze kleine vervormingen zich opstapelen, wat leidt tot een uiteindelijke vorm die te scheef of te zwak is om bruikbaar te zijn.

Om dit probleem op te lossen, zetten onderzoekers van Shimizu Corporation en de Japan Aerospace Exploration Agency zich in om de snelheid van deze op lassen gebaseerde bouwmethode te combineren met de precisie van traditionele verspaning. Ze ontwikkelden een hybride systeem waarbij een robot niet alleen metaal toevoegt, maar het ook verwijdert. Door een freesgereedschap en een laserscanner in dezelfde robotcel te integreren, kan het systeem de hoogte van elke nieuwe laag terwijl deze wordt opgebouwd meten en het pad van de robot in realtime aanpassen. Als het metaal te hoog opstapelt of vervormt, kan de robot het lassen pauzeren, het overtollige materiaal wegslijpen om een perfect vlak oppervlak te creëren, en vervolgens verder bouwen. Dit proces zorgt ervoor dat het uiteindelijke object zijn beoogde vorm behoudt, zelfs wanneer de hitte probeert de uitlijning te verstoren. Het team zette dit systeem op de proef door een model op ware grootte van een brandstoftank te construeren, het soort vat dat brandstof voor een raket zou bevatten, en onderwierp het vervolgens aan extreme druk om te zien of het het kon houden.

De onderzoekers bouwden een demonstratietank die 1,1 meter hoog was, met een breed gedeelte van één meter breed en een smaller gedeelte van een halve meter breed. De wanden van deze tank werden gebouwd van aluminiumlegering draad, die in lagen werd afgezet om een dikte van vijf millimeter te bereiken. Om de structuur rigide te houden tijdens het langdurige proces van het laag na laag toevoegen, introduceerde het team ringvormige verstevigingen binnenin de tank, die handmatig op hun plaats werden gelast voordat de robot zijn werk hervatte. Een cruciaal onderdeel van hun succes was het gebruik van een laserprofiler die het oppervlak van de tank tien keer per seconde scande terwijl de robot aan het lassen was. Dit stelde het systeem in staat om constant de hoogte van het toegevoegde metaal te controleren en de bewegingen van de robot automatisch aan te passen om de lagen uniform te houden. Het resultaat was een naadloze metalen schaal die een consistente wanddikte behield, ondanks de uitdagingen van het bouwen van zo' een groot object met hoge hitte.

Zodra de tank voltooid was, moest het team verifiëren of deze sterk genoeg was om te functioneren als een echte brandstofcontainer. Ze verzegelden de bovenkant met een metalen deksel en vulden de tank met water om een hydrostatische druktest uit te voeren. Deze methode is veilig en effectief voor het testen van de sterkte omdat water niet samendrukbaar is zoals lucht, wat betekent dat de tank niet gewelddadig zal exploderen als hij faalt. Ze verhoogden langzaam de druk in de tank en keken nauwlettend naar hoe het metaal uitrekte en vervormde. De tank hield stand totdat de interne druk 1,7 megapascal bereikte, waarna hij uiteindelijk barstte. De breuk vond echter plaats bij de naad waar de handmatig gelaste deksel de door de robot gebouwde tank ontmoette, en niet in het hoofdlichaam van de tank zelf. Dit gaf aan dat de gelaste verbinding het zwakste punt was, en niet de metalen wanden die door het additive proces waren gecreëerd.

De ware maatstaf voor de prestaties van de tank kwam uit de analyse van het moment waarop het metaal begon permanent uit te rekken, een punt dat bekend staat als de vloeidruk. Door de rek op het oppervlak van de tank te meten met gevoelige meters, ontdekten de onderzoekers dat het cilindrische gedeelte van de tank begon te vloeien bij een druk van 1,30 megapascal, terwijl het gebogen onderste gedeelte vloeide bij 1,38 megapascal. Deze cijfers lagen opmerkelijk dicht bij wat het team had voorspeld met behulp van computersimulaties gebaseerd op de bekende sterkte van de gebruikte aluminiumdraad. De simulaties hadden een vloeidruk geschat van ongeveer 1,37 megapascal voor de cilinder en 1,38 megapascal voor de koepel. De nauwe overeenkomst tussen de fysieke test en het computermodel bevestigde dat het metaal geproduceerd door het robotische lasproces net zo sterk was als het grondmateriaal dat voor de draad werd gebruikt.

De studie onderzocht ook of de interne ringverstevigingen een significant verschil maakten in het vermogen van de tank om druk te weerstaan. De computermodellen suggereerden dat het toevoegen van deze ringen de drukweerstand met slechts ongeveer vijf procent verbeterde, een relatief kleine winst. De experimentele gegevens ondersteunden dit en toonden aan dat de tank goed presteerde, zelfs zonder zwaar te vertrouwen op de verstevigingen voor de primaire sterkte. De onderzoekers merkten op dat de kleine verschillen tussen hun voorspellingen en de werkelijke testresultaten waarschijnlijk voortkwamen uit vereenvoudigingen in hun computermodellen, zoals het niet meenemen van de exacte vorm van de handmatig gelaste deksel of kleine variaties in de wanddikte. Desalniettemin bleef de kernboodschap duidelijk: het hybride fabricagesysteem heeft succesvol een grote, complexe aluminium tank geproduceerd die aan de theoretische sterktevereisten voldeed.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om componenten voor de ruimtevaart op meterschaal te bouwen met een combinatie van additive en subtractieve technieken zonder de structurele integriteit op te offeren. De sleutel tot dit succes was het vermogen om fouten te corrigeren terwijl ze gebeurden, waardoor de ophoping van defecten die grote lasprojecten gewoonlijk teisteren, werd voorkomen. Hoewel het team gebieden identificeerde voor verbetering, zoals het verbeteren van de kwaliteit van het metaal op de punten waar het lasproces werd hervat, bewees het algemene experiment de haalbaarheid van de aanpak. De tank hield stand onder druk precies zoals de wetten van de fysica voorspelden, wat suggereert dat deze hybride methode een betrouwbare manier kan worden om de grote, lichtgewicht structuren te vervaardigen die nodig zijn voor toekomstige ruimteverkenning.