3D míří do nebeských výšin
Součástky zhotovené pomocí 3D tisku už nejsou v leteckém a kosmickém průmyslu úplnou novinkou. Výrobci v tomto oboru s nimi koketují již několik let, ale většinou šlo jen o dílčí, experimentální části, vytištěné z kovu. Ale to se začíná měnit a výrobci v konstrukci letadel i raket začali oficiálně používat díly vytvořené na 3D tiskárnách a to nejen kovové, ale i z odolných plastů.
Z mysu Canaveral na Floridě byla 23. března letošního roku úspěšně vypuštěna raketa Atlas V s 3D tištěnými částmi. Tento projekt tak prokázal životaschopnost koncepce s využitím lehkých 3D tisknutelných termoplastů pro mnoho aplikací obvykle vyráběných až dosud z kovů.
3D tisk z termoplastů snižuje hmotnost i náklady
United Launch Alliance (ULA), partnerský projekt firem Lockheed Martin a Boeing, začala posílat na oběžnou dráhu rakety Atlas V osazené několika 3D tištěnými díly vyrobenými z pokročilých termoplastů vyvinutých pro tyto účely firmou Stratasys. Nejen, že tyto díly pomáhají zredukovat na minimum kritickou váhu startující rakety, ale často i výrazně snížit náklady na samotnou výrobu těchto komponent.
Při vývoji 3D tištěných materiálů pro raketové nosiče Atlas V a Delta IV se dbalo na to, aby byly silné a dostatečně odolné a dokázaly nahradit dražší, kovové části vyráběné pomocí tradičních technologií. Z těchto tištěných materiálů má raketa několik částí především pro systém vzduchových vedení v sekci kapotáže užitečného zatížení, která udržuje životně důležité elektrické komponenty ochlazované během startu. Díly zahrnují např. držáky, trysky, panelové uzávěry a velké tištěné úseky potrubí. Mnoho z těchto částí může být vytištěno jako celý velký soubor, zatímco dříve bylo potřeba jednotlivé kovové díly následně sestavovat. 3D tisk tak umožnil snížit počet komponent pro potrubí ze 140 na pouhých 16 dílů.
Pro výrobu těchto součástí použili specialisté ULA vlastní FDM 3D tiskárny Stratasys Fortus 900mc a jako materiál vysoce výkonný termoplast ULTEM 9085 z něhož byl vytištěn raketový tahový systém. ULTEM 9085 je extrémně pevný materiál, vyvinutý speciálně pro vysoké zatížení a součásti z něj je velmi těžké poškodit. Velký pracovní prostor tiskárny (914 x 610 x 914 mm) umožňuje vyrábět i extrémně velké úseky potrubí s geometrií, které by nebylo možné vyrábět konvenčními postupy.
Kapotáž užitečného zatížení u rakety Atlas V je velký kužel v horní části rakety, kde je umístěn např. satelit či jiné zařízení, vypouštěné na oběžnou dráhu. Na tento kryt jsou kladeny extrémní nároky: Zatímco konstrukční prvky vyrobené pro provoz ve vakuu jsou velmi odolné a musí být schopné zvládnout široký rozsah teplot, opačný problém představuje teplo generované raketou při startu. Kapotáž musí být velmi dobře izolována a chlazena tak, aby se zabránilo poškození v důsledku enormní tepelné zátěže.
Motor z tiskárny
Především NASA a zejména její specializovaná odnož pro využití 3D tisku Aerojet Rocketdyne pracují na široké škále 3D tištěných družic a raketových motorů, jako je např. modulární pohonný systém MPS-130 CUBESAT, a ani Space X není 3D tisk cizí. Do vesmírných závodů se přidal i další konkurent: americko-novozélandská firma Rocket Lab, zabývající se soukromými lety do vesmíru, dokončila testy způsobilosti svého nového motoru, jehož všechny základní komponenty byly vyrobeny pomocí 3D tisku. Využití 3D tisku v raketové výrobě dává podle odborníků smysl v úsilí o snižování nákladů.
Hlavním projektem je menší raketový nosič Electron navržený pro dopravu družic na oběžnou dráhu, který by měl být připraven k uvedení na trh v polovině letošního roku. Jeho start je plánován v průběhu druhé poloviny roku z domovské odpalovací základny na novozélandském Severním ostrově.
Nedávno představený raketový motor, speciálně vyvinutý pro Electron, je navržen tak, aby drasticky snížil náklady na vesmírné výpravy. Pohonná jednotka s názvem Rutherford (po novozélandském rodákovi, slavném fyzikovi Ernestu Rutherfordovi), je nejen téměř kompletně vyrobena z 3D tištěných dílů (jde o první kyslíko/hydrouhlíkový motor se všemi hlavními součástkami ze 3D tiskárny), ale jde i o první bateriově napájený raketový motor na světě.
Motor je vybaven elektrickými turbočerpadly a dosahuje tahu 20 460 N po dobu 327 s (může dosahovat až 22,2 kN v tahu), a má umožnit vynést 150 kg užitečného nákladu na 500 km vzdálenou oběžnou dráhu synchronní se Sluncem - cílové pásmo pro vysoké satelity. Mezi další vylepšení patří zcela nový unikátní systém pohonného cyklu, využívající pro pohon svých turbočerpadel střídavé stejnosměrné motory a vysoce výkonné lithium-polymerové baterie.
Raketa používá dvě varianty motoru: pro úroveň mořské hladiny a pro práci ve vakuu. Vakuová varianta se liší pouze tvarem trysky, která je přizpůsobena podmínkám prostoru mimo zemskou atmosféru. Duplicitní konstrukce motoru pro oba stupně činí Electron vysoce optimalizovaný pro rychlou výrobu.
Části motoru byly vytvořeny pomocí tavení elektronovým paprskem, které je podobné selektivnímu laserovému slinování (SLS), místo laseru však používá k roztavení kovových prášků elektronový paprsek. Touto metodou aditivní výroby byly vytvořeny spalovací komora motoru, vstřikování, turbočerpadla a hlavní výmetné půlky.
Vzhůru do oblak
Aditivní výroba pomocí technologie 3D tisku se etablovala i u výrobců v leteckém průmyslu, používají je obě největší společnosti, Boeing i Airbus, poté, co byly tyto součásti úspěšně certifikovány pro použití v letectví.
V Airbusu je např. používána při výrobě typu A350 už více než tisícovka různých součástí vyrobených na 3D tiskárnách, které nahradily dosud používané díly vyráběné tradičními technologiemi. Tím se podařilo snížit nejen hmotnost těchto součástí, ale i celkové náklady a zkrátit dodací lhůty. Technologie 3D tisku umožnila vyrábět silné a lehčí komponenty v podstatně kratším čase, s nižší výrobní cenou a menším množstvím spotřebovaného materiálu oproti stávajícím technologiím. Tištěné díly slouží v dopravních letadlech A350 XWB, ale Airbus je začal používat i u vojenských dopravních letadel A400M, kde Aerotec, dceřiná firma Airbusu, zahájila produkci titanových součástí pro tyto stroje. Prvním dílem, jehož standardní výrobu nahradil 3D tisk, je potrubí s dvojitou stěnou, součást palivového systému, které se zatím vyrábělo odléváním a svařováním.
První “3D-printed jet engine” je od protinožců
Australští výzkumníci z Monash University představili už loni na aerosalonu Avalon International Air show unikátní tryskový motor vyrobený ve spolupráci se spin-off firmou Amarero, CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) a Deakin University pomocí 3D tisku. Je označován za první 3D tištěný motor na světě, který by mohl způsobit skutečnou revoluci v designu a cenách součástek a materiálů pro kosmický a letecký průmysl.
421
