Ogólnopolskie Czasopismo Techniczne
Technologie produkcyjne dla przyszłości europejskiego przemysłu kosmicznego
Przestrzeń kosmiczna nigdy wcześniej nie wydawała się tak blisko, a loty kosmiczne były w zasięgu ręki. Aby zwiększyć konkurencyjność europejskich systemów transportu kosmicznego, naukowcy z Instytutu Technologii Laserowej im. Fraunhofera ILT opracowują w ramach projektu ENLIGHTEN innowacyjne technologie produkcyjne komponentów rakietowych. Naukowcy zaprezentują swoje wyniki na targach Hannover Messe (hala 2, stoisko B24) w dniach 22–26 kwietnia 2024 r.
Pomyślny start Ariane 5. (© ESA/CNES/Arianespace)
Min-Uh Ko i jego zespół w Fraunhofer ILT skupili się na niczym innym jak pomyślnej przyszłości europejskiego przemysłu kosmicznego. W ramach projektu ENLIGHTEN (European Initiative for Low cost, Innovative & Green High Thrust ENgine) naukowcy pracują nad nowymi technologiami, które pozwolą obniżyć koszty podróży kosmicznych i zwiększyć zdolność Europy do konkurowania w tej dziedzinie. W projekcie uczestniczy 18 partnerów, który otrzymuje aktywne wsparcie Komisji Europejskiej w celu utrzymania suwerenności technologicznej i możliwości samodzielnego działania w obliczu rosnącej globalnej konkurencji.
Przesuwanie granic możliwości
Za drogie, za wolne: w ramach projektu eksperci z Fraunhofer ILT dosłownie wnoszą nowy napęd do europejskich podróży kosmicznych. Planują wyprodukować dyszę silnika rakietowego przy użyciu metody wytwarzania przyrostowego znanej jako laserowe osadzanie materiału (LMD) i zbudować demonstrator w skali. Ta zmieniona koncepcja metody produkcji sama w sobie jest kluczowym krokiem w kierunku większej efektywności kosztowej i przyspieszenia przepływu pracy.
„Szczególnym aspektem jest to, jak szeroki zakres możliwości, jakie oferuje technologia LMD, drastycznie poprawia szybkość i opłacalność produkcji nowej generacji dysz rakietowych. Oprócz dużej obudowy badany projekt ma wyjątkowo cienkie, cienkościenne kanały chłodzące, których wdrożenie w konwencjonalnych procedurach produkcyjnych wymaga dużego wysiłku” – wyjaśnia Ko, koordynator tego podprojektu.
Naukowcy z Fraunhofer ILT wykorzystują laserowe osadzanie metali do addytywnego wytwarzania komponentów kosmicznych. Elastyczna i szybka alternatywa dla konwencjonalnej produkcji z formowaniem, spawaniem i obróbką mechaniczną. (© Fraunhofer ILT, )
Elastyczne, produktywne, dokładne — a przez to przełomowe
Inne metody, takie jak wytwarzanie przyrostowe drutu i łuku (WAAM) oraz stapianie proszków laserowych (LPBF), albo nie są w stanie wytworzyć porównywalnie skomplikowanych struktur, albo charakteryzują się znacznie niższą wydajnością niż LMD. Ponadto istnieją znaczne ograniczenia dotyczące rozmiaru, szczególnie w przypadku LPBF. „Ekscytujące w technologii LMD jest to, że zasadę procesu można przenieść na niemal każdy rodzaj układu kinematycznego. A to oznacza, że rozmiar można łatwo skalować” – zauważa Ko.
Cienkościenne konstrukcje pędnika wymagają źródeł laserowych o określonej jakości wiązki, które wytwarzają wiązkę o wyjątkowo małej średnicy. „Jesteśmy wyjątkowo silni w tej dziedzinie, ponieważ posiadamy w firmie różne źródła lasera i konfiguracje optyczne, które możemy dostosować do indywidualnego zastosowania” – mówi Jochen Kittel, kierownik projektu ENLIGHTEN w Fraunhofer ILT.
Zasadę procesu technologii LMD można przenieść na niemal każdą kinematykę systemu. Można nim nakładać wyjątkowo twarde powłoki, które są szczególnie stabilne w długim okresie czasu. (© Fraunhofer ILT, )
Zwiększenie produkcji rakiet
Dysza opracowywana w Fraunhofer ILT ma zostać wykorzystana jako element rakiet nowej generacji, które pojawią się w programie Ariane. ArianeGroup jest głównym koordynatorem odpowiedzialnym za projekt ENLIGHTEN. W rzeczywistości dyszę rakiety można już wyprodukować konwencjonalnymi metodami. Jednak proces ten obejmuje obecnie wiele pojedynczych, kolejnych etapów, co wiąże się z wyzwaniami czasowymi i kosztowymi. Ponieważ żaden dostawca nie jest w stanie wykonać wszystkich etapów w jednym zakładzie produkcyjnym, komponenty należy przenosić do wielu lokalizacji. Tworzy to łańcuch procesów, który znacznie wydłuża czas produkcji i dostawy.
„Technologia procesowa, która eliminuje wiele pojedynczych etapów, znacznie obniży koszty, ale to nie wszystko. Jednocześnie znacznie skrócimy czas potrzebny na wyprodukowanie dyszy rakietowej. Obecnie proces ten trwa znacznie dłużej niż kilka miesięcy i obejmuje ponad jedną czwartą” – podkreśla Kittel.
Potencjał dla przemysłu
Oprócz technologii produkcji i realizacji demonstratora eksperci Fraunhofer ILT skupiają się również na monitorowaniu procesów i zapewnieniu jakości. Celem zespołu jest optymalizacja niezawodności i solidności technologii opracowanych w Fraunhofer ILT do tego stopnia, że badacze będą mogli przenieść je do przemysłu w celu przyszłej masowej produkcji. Z tego powodu jednocześnie stosuje się system monitorowania procesu, którego celem jest wykorzystanie danych z czujników do lokalizacji i wyeliminowania potencjalnych anomalii procesu, zapewniając w ten sposób ogólną jakość komponentów.
„Kiedy pomyślnie opracujemy proces i demonstrator, będzie to przełom. Dzięki naszym wynikom możemy umożliwić przemysłowi wytwarzanie równie dużych, złożonych i skomplikowanych konstrukcji przy użyciu LMD we własnych obiektach w celu zaopatrywania przemysłu lotniczego i kosmicznego” – mówi z przekonaniem Ko.
„Po pomyślnym opracowaniu procesu i demonstratora będzie to przełom” – mówi koordynatorka podprojektu Min-Uh Ko, lider grupy ds. wytwarzania przyrostowego i naprawy LMD w firmie Fraunhofer ILT. (© Fraunhofer ILT, )
Łączymy siły, aby dotrzeć do gwiazd
Inicjatywa partnerów pracujących nad projektem ENLIGHTEN pokazuje, że jeśli Europa połączy siły, może w dalszym ciągu odgrywać ważną rolę w globalnych podróżach i eksploracji przestrzeni kosmicznej. Eksperci ILT zaprezentują najnowsze ustalenia z trwającego projektu dotyczącego niezawodnego i konkurencyjnego europejskiego systemu transportu kosmicznego na wspólnym stoisku Fraunhofer w Hannover Messe w hali 2, stoisko B24, w dniach 22–26 kwietnia 2024 r. Dzięki takim projektom jak tych rozwiązań przyszłość europejskich systemów transportu kosmicznego rysuje się w jasnych barwach.
Źródło: Fraunhofer ILT