Elementy tytanowe do statku kosmicznego: 66% lżejsze dzięki drukowi 3D w metalu

Każdy zaoszczędzony gram sprawia, że kosmos jest bardziej dostępną granicą. Podczas projektowania lub konstruowania podzespołów statku kosmicznego kluczowym wyzwaniem jest optymalizacja masy. Nie może odbywać się to kosztem wytrzymałości lub jakości podzespołu. Firma Materialise Manufacturing przystąpiła do współpracy z Atos, globalnym liderem usług cyfrowych, której celem była optymalizacja masy elementu tytanowego powszechnie stosowanego w sektorze kosmonautyki do przenoszenia ciężkich obciążeń mechanicznych w konstrukcjach, takich jak satelity. Dzięki wyraźnie zoptymalizowanemu projektowi uzyskanemu dzięki drukowi 3D w metalu, nowe elementy tytanowe ważą zaledwie jedną trzecią masy wyjściowej, zyskując dodatkowo lepsze właściwości.

Druk 3D w metalu

Elementy struktury wielowarstwowej

Elementy te są zazwyczaj stosowane jako punkty mocowania urządzeń do satelitów. Są one często mocno obciążone, unosząc duże i ciężkie konstrukcje. Oznacza to, że muszą cechować się doskonałym stosunkiem wytrzymałości do masy: jest to część, która musi mieć wysoką wytrzymałość i twardość, jednak przy minimalnej masie. Struktura wielowarstwowa spełnia te wymogi. Elementy składają się z dwóch płaskich paneli wokół struktury wewnętrznej o budowie plastra miodu.

Klasyczne elementy są często wykonane z aluminium lub tytanu o kształcie podobnym do cegły, ponieważ są produkowane mechanicznie. Są całkowicie wypełnione, co oznacza, że są ciężkie i kosztowne. Oprócz kosztu materiału, ciężkie podzespoły powodują również wzrost kosztów operacyjnych wobec statku kosmicznego podczas każdego startu.

Druk 3D w metalu może jedna rozwiązać ten problem, umożliwiając jednocześnie stosowanie tych samych materiałów – aluminium i tytanu.

Optymalizacja konstrukcji dzięki wytwarzaniu przyrostowemu

Dzięki wytwarzaniu przyrostowemu powierzchnia wewnętrzna obiektów może być pusta lub wykonana przy użyciu lekkich struktur stosujących materiał wyłącznie tam, gdzie to niezbędne. Inżynierowie w firmie Materialise oraz Atos musieli najpierw zająć się zmniejszeniem zużycia materiału we wnętrzu części.

Korzystając z oprogramowania Materialise, w szczególności modułu do lekkich konstrukcji Materialise 3-matic’s Lightweight Structures Module oraz optymalizacji Post-Topology Optimization, zespół ds. projektowania i usług inżynieryjnych zmniejszył masę elementu z 1 454 gramów do 500 gramów.

Oprócz ograniczenia masy, zespół rozwiązał również problem związany z naprężeniem termoelastycznym pierwotnej konstrukcji. Ze względu na to, że elementy te są montowane podczas procesu utwardzania polimerów wzmacnianych włóknami węglowymi, podlegają one naprężeniom termoelastycznym. Zoptymalizowana konstrukcja cechuje się mniejszą podatnością na te naprężenia i lepszym rozkładem obciążenia, skutkując dłuższą żywotnością elementów.

Dwa elementy o nowej budowie zostały wyprodukowane z tytanu (TiAl6V4) w zakładzie druku 3D Materialise w Bremen. Jako centrum kompetencji Materialise w zakresie druku 3D pod względem produkcji i opracowywania oprogramowania, zakład zaprezentował zakres zaawansowanej produkcji poprzez projekty, takie jak ten. Również druk 3D w metalu wykazał się niesamowitym potencjałem dla sektora kosmonautyki, ponieważ pomimo braku wcześniejszych przyrządów technologia ta zdołała sprostać wyjątkowo krótkim czasom realizacji..

„Zmniejszenie masy umożliwi wzrost liczby przydatnego sprzętu stosowanego w satelitach, co przełoży się na dostrzegalne oszczędności podczas każdego startu. Jesteśmy dumni z tej innowacji. Tworząc ten złożony produkt w metalu poprzez wytwarzanie przyrostowe w tak krótkim czasie, Atos i Materialise zajmują czołową pozycję wśród dostawców rozwiązań w druku 3D w metalu.”
Marta García-Cosío, dyrektor ds. inżynierii mechanicznej w Atos Hiszpania

Dzięki temu pomyślnemu projektowi i badaniom, które pociąga za sobą, dążymy do zwiększenia zastosowania podzespołów metalowych wykonanych poprzez wytwarzanie przyrostowe w kosmonautyce i aeronautyce.