Produkcja, która wiedzie w Kosmos

W maju 2023 r. padł nowy rekord liczby ludzi przebywających jednocześnie w przestrzeni kosmicznej: na orbicie znajdowało się 20 osób. Jedną z wielu misji, które miały miejsce w tym roku, był lot Galactic 01 przeprowadzony przez firmę Virgin Galactic. Był to pierwszy suborbitalny komercyjny lot kosmiczny tej firmy. Z kolei firma SpaceX przygotowuje się do pierwszego komercyjnego orbitowania. Poprzez różne formy eksploracji – od turystyki kosmicznej po innowacyjne rakiety – ludzkość sięga coraz dalej. Co jednak wiemy o narzędziach, które umożliwiają eksplorację Kosmosu z perspektywy inżynieryjnej? William Durow – globalny menedżer ds. projektów inżynieryjnych dla branży lotniczej, kosmicznej i obronnej w firmie Sandvik Coromant – wyjaśnia kwestie obróbki wiórowej metali w kontekście badania Kosmosu.

W ostatnich latach byliśmy świadkami wydarzeń, które można nazwać wielkim skokiem dla ludzkości. Europejska Agencja Kosmiczna rozpoczęła w kwietniu 2023 r. misję „JUpiter ICy moons Explorer” (JUICE), która do roku 2030 ma dotrzeć do układu Jowisza. Następnie przez trzy i pół roku sonda będzie obserwować trzy jego księżyce. Firma SpaceX zaplanowała na ten rok około 100 startów, a wypuszczona przez NASA sonda OSIRIS-Rex powróciła na Ziemię w 2023 r. A to zaledwie niewielka część niedawno zakończonych, trwających i przyszłych projektów, które mają nam umożliwić poznanie galaktyki.

Pomyślny rezultat podróży międzygwiezdnych wymaga rozważenia wielu kwestii. Wnikliwe symulacje, drobiazgowe zaplanowanie misji i zarządzanie nimi przez menedżerów o wysokich kwalifikacjach czy skuteczne planowanie awaryjne – udany lot w Kosmos wymaga starannego przygotowania. Ponadto materiały używane do eksploracji Kosmosu muszą się sprawdzać w najbardziej ekstremalnych warunkach, jakie można sobie wyobrazić: próżni, promieniowania, cykli termicznych i uderzeń mikrometeoroidów.

 

Materiały o dużej wytrzymałości

Jakakolwiek konstrukcja kosmiczna wymaga uwzględnienia licznych kwestii dotyczących materiałów, aby zapewnić jej bezpieczeństwo, skuteczność i funkcjonalność w skrajnych warunkach. Materiały muszą się odznaczać strukturą odporną na wysokie ciśnienie i naprężenia występujące podczas startu i lądowania. Pojazd kosmiczny będzie narażony na wysokie temperatury podczas powrotu w atmosferę ziemską, dlatego powłoki zewnętrzne muszą go uchronić przed spłonięciem, a inne podzespoły, takie jak dysze rakiet, również muszą być wykonane z odpornych materiałów.

Także masa ma znaczenie, zwłaszcza w przypadku takich elementów, jak zbiorniki paliwa rakietowego. Lżejszy zbiornik lepiej znosi naprężenia strukturalne i może pomóc w zwiększeniu nośności. Im większa masa własna rakiety, tym mniej może ona zabrać satelitów, przyrządów badawczych i załogi.

Do materiałów często używanych do tego rodzaju zastosowań należą superstopy żaroodporne (HRSA). Są one wyjątkowo odporne na wpływ niesprzyjających warunków. Jednak ich wytrzymałość oznacza także, że są trudne w obróbce.

Zdolność superstopów żaroodpornych do utrzymania właściwości mechanicznych i integralności strukturalnej w bardzo wysokich temperaturach, często przekraczających 1000°C (1832°F), oraz ich duża odporność na pełzanie i dobra stabilność termiczna sprawiają, że są one używane do produkcji takich podzespołów, jak łopatki turbin, dysze wydechowe i komory silników spalinowych.

Ale także ten typ materiałów ma swoje ograniczenia – zwłaszcza z punktu widzenia obróbki. Fakt, że ich skład metalurgiczny sprzyja podtrzymaniu właściwości w sytuacji narażenia na wysokie temperatury oznacza także wysokie naprężenia podczas ich obróbki. Wyjątkowa odporność superstopów na bazie niklu na temperatury bliskie temperaturze topnienia metalu bazowego wpływa na ich niewielką skrawalność.

Kolejnym ważnym materiałem jest tytan. Ten lekki metal, którego gęstość jest równa w przybliżeniu połowie gęstości stali, umożliwia obniżenie masy całkowitej pojazdu kosmicznego, co z kolei zmniejsza zużycie paliwa i zwiększa nośność. Tytan jest także bardzo odporny na korozję i na tlen atomowy. Dlatego idealnie nadaje się do zastosowań na niskiej orbicie okołoziemskiej, gdzie warstwa tlenku chroni go przed tą bardzo reaktywną postacią tlenu.

Jednak te same cechy czynią tytan materiałem trudno skrawalnym. Narzędzia skrawające muszą być ostre, niewiarygodnie odporne na zużycie i utrzymywać niezmieniony kształt krawędzi, aby sprostać dużej wytrzymałości obrabianego materiału. Z kolei niska przewodność cieplna tytanu w porównaniu z takimi materiałami jak stal lub stal nierdzewna może powodować narastanie wysokiej temperatury podczas obróbki i przedwczesne zużycie narzędzia.

 

 

Zagadnienia związane z obróbką

Obróbka superstopów żaroodpornych wymaga wyspecjalizowanych narzędzi i technik. W pierwszej kolejności należy się zastanowić nad materiałem, z którego wykonane są narzędzia skrawające. Choć najczęściej wybierane są spieki węglików, można zastosować także: materiały ceramiczne do obróbki zgrubnej, regularny azotek boru (CBN) do obróbki wykończeniowej superstopów żaroodpornych oraz polikrystaliczny diament (PCD) do obróbki wykończeniowej stopów tytanu. Inne ważne kwestie to powłoki i geometria narzędzi. Materiały te są podatne na ścinanie, zatem lepszą opcją jest ostrzejsza geometria, która nie generuje tak wysokich temperatur podczas skrawania. Preferowane są cienkie i udarne powłoki. Powłoki wykonane metodą osadzania fizycznego z fazy gazowej (PVD) są zazwyczaj pierwszym wyborem do obróbki superstopów żaroodpornych, jednak w przypadku obróbki tokarskiej tytanu pierwszym wyborem będzie gatunek niepowlekany.

Superstopy żarodporne są obraniane z małymi prędkościami skrawania w porównaniu z tradycyjnymi materiałami, aby zapobiegać nadmiernym przyrostom temperatury i powstawaniu karbu. Regulacja posuwu i głębokości skrawania także odgrywa kluczową rolę w wydajności obróbki. Wybór właściwej strategii podawania chłodziwa jest ważny ze względu na wysokie temperatury, jakie superstopy żaroodporne i tytan generują podczas obróbki. Często stosuje się chłodziwo pod wysokim ciśnieniem, co sprzyja odłamywaniu wiórów i rozpraszaniu nadmiaru ciepła. Producenci będą również dążyć do monitorowania zużycia narzędzi, aby przewidywać awarie i zmniejszać prawdopodobieństwo uszkodzeniem kosztownego podzespołu.

Jedną z metod zalecanych przez firmę Sandvik Coromant do obróbki podzespołów dla branży kosmicznej jest frezowanie walcowe z wysokim posuwem. W technice tej stosuje się małą promieniową głębokość skrawania, która umożliwia zwiększenie prędkości skrawania, posuwu i osiowej głębokości skrawania dzięki niższej temperaturze i zredukowanym siłom promieniowym. Z myślą o tej metodzie firma Sandvik Coromant stworzyła asortyment do frezowania walcowego z wysokim posuwem: CoroMill^® Plura HFS. Obejmuje on serię frezów trzpieniowych o wyjątkowych geometriach i gatunkach, złożoną z dwóch rodzin frezów. Jedna rodzina to narzędzia zoptymalizowane pod kątem stopów tytanu, a druga – pod kątem stopów niklu.

 

 

Wyjątkowe wymogi

Choć tytan i superstopy żaroodporne są kluczowe dla uczestników kosmicznego wyścigu, specjaliści stale wprowadzają innowacje w postaci nowych materiałów. Aby wyprzedzić konkurencję, większość firm w branży tworzy własne, niepowtarzalne kompozycje. Składy tych materiałów są utrzymywane w tajemnicy – mogą to być stopy tytanu, materiały ablacyjne, kompozyty węglowo-węglowe lub zupełnie inny typ materiału. Oprócz inżynierów pracujących dla branży kosmicznej, tajne składy materiałów są ujawniane także producentom obrabiarek.

W przypadku Sandvik Coromant specjalistyczna wiedza z zakresu eksploracji Kosmosu obejmuje cały świat i kilka specjalnych zespołów badawczo-rozwojowych. Gdy klient nawiąże kontakt z firmą Sandvik Coromant, zespół będzie z nim współpracował nad odkryciem rozwiązania obróbkowego spełniającego wymogi danego materiału. Współpraca może polegać na przeprowadzeniu prób w bezpiecznej lokalizacji oraz doradztwie w zakresie doboru narzędzi i metod obróbki.

Podczas projektowania podzespołów, które mają działać w przestrzeni kosmicznej, stawka jest bardzo wysoka. Nawet najmniejsze uchybienie w zakresie jakości może sprawić, że misja nie wystartuje, dlatego należy poświęcić szczególną uwagę każdemu etapowi produkcji. Dotyczy to selekcji materiałów do wyrobu każdego podzespołu oraz sposobu ich obróbki. Dla producentów ważne jest znalezienie równowagi między wytrzymałością materiałów a wynikającymi z niej trudnościami podczas obróbki.

Dzięki ponad ośmiu dekadom doświadczeń firma Sandvik Coromant zyskała ogromną wiedzę z zakresu skrawania i obróbki metalu. Dlatego każde wyzwanie staje się okazją do innowacji, współpracy i tworzenia progresywnych rozwiązań.

 

Źródło: Sandvik Coromant