Výroba pro kosmické lety

William Durow, manažer pro globální inženýrské projekty pro letecký, vesmírný a obranný průmysl ve společnostiSandvik Coromant, zamýšlí nad obráběním kovů pro vesmírné účely.

V květnu 2023 padl rekord v maximálním počtu lidí na kosmických výpravách – na oběžné dráze se jich najednou nacházelo dvacet. Kromě dalších kosmických výprav došlo i na expedici Galactic 01 společnosti Virgin Galactic, což byl první komerční suborbitální vesmírný let této firmy. Společnost SpaceX se zase chystá na první komerční výstup do volného prostoru. Dobývání kosmu zkrátka pokračuje, od vesmírné turistiky po inovace v raketové technologii. Co ale víme o nástrojích, které se při kosmických výpravách používají?

V uplynulých letech jsme se dočkali několika „velkých skoků pro lidstvo“. V dubnu 2023 odstartoval projekt JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) Evropské kosmické agentury, v roce 2030 by měl dorazit na oběžnou dráhu Jupitera. Během následujících třech a půl let bude pozorovat tři Jupiterovy měsíce. Společnost SpaceX tento rok plánuje okolo 100 startů, v září 2023 se na Zemi vrátil projekt NASA OSIRIS-Rex. A to je jen malá část nedávných, současných a budoucích projektů zaměřených na zkoumání galaxie.

Kdo touží po vesmírném úspěchu, musí vzít v úvahu celou řadu otázek. Kosmický let vyžaduje pečlivé plánování, přípravu i realizaci, ať již jde o důkladný plán mise, cvičení na simulátorech, výcvik velitelů či přípravu účinných pohotovostních plánů. A materiály využívané v kosmu navíc musí odolat tak extrémním podmínkám, že si je mnozí nedovedou ani představit – vzduchoprázdnu, kosmickému záření, extrémním teplotám či dopadu mikrometeoritů.

Odolné materiály
Při vytváření čehokoli, co má obstát v kosmu, jsou zapotřebí materiály zaručující bezpečí a funkčnost v extrémních podmínkách. Po strukturální stránce musí materiály zvládat vysoký tlak a námahu při startu i během letu. Při vstupu do zemské atmosféry navíc vesmírná loď čelí extrémnímu horku a vnější plášť ji tudíž musí chránit před vzplanutím. I další komponenty, například trysky, musí být vyrobené z tepelně odolných materiálů.

Velkou roli hraje také hmotnost, zejména u palivových nádrží a podobných prvků – lehčí nádrž lépe odolá tlakům a zvyšuje kapacitu samotné lodi. Čím více váží samotná raketa, tím méně nákladu do vesmíru dostane, ať už jde o satelity, vědeckou výbavu nebo posádku. Čím lehčí nádrž, tím těžší může náklad být, což významně rozšiřuje možnosti celé mise.

Mezi oblíbené materiály pro tento způsob použití patří žáruvzdorné slitiny (HRSA). Do vesmíru se výborně hodí díky své odolnosti v náročných podmínkách. Zároveň to ovšem znamená, že se obtížněji obrábějí.

Žáruvzdorné slitiny jsou navržené tak, aby odolávaly extrémním teplotám, mechanickému namáhání a korozivnímu prostředí. Používají se především v prostředí, kde by běžné materiály vzhledem ke svým vlastnostem v extrémních podmínkách selhaly. HRSA materiály si udržují své mechanické vlastnosti a strukturální integritu i při velmi vysokých teplotách, které často přesahují 1 000 °C. Kromě toho se vyznačují vynikající odolností proti tavení a dobrou tepelnou stabilitou. Proto se používají například pro lopatky turbín, výfukové trysky a spalovací komory.




Mají ale i své nevýhody, zejména po mechanické stránce. Díky svému metalurgickému složení si udržují své vlastnosti i při extrémních teplotách, to ovšem zároveň znamená značné namáhání při jejich obrábění. Obecně se niklové superslitiny hůře obrábějí i proto, že fungují výborně i v teplotách blížících se bodu tání.

Dalším důležitým materiálem pro vesmírné komponenty je titan. Lehký kov se zhruba poloviční hustotou oproti oceli pomáhá snižovat celkovou hmotnost kosmických lodí, což znamená lepší palivovou účinnost a vyšší kapacitu pro náklad. Kromě toho je titan vysoce odolný proti korozi i proti kyslíku v atmosféře, takže se hodí pro použití na nižší oběžné dráze kolem Země, kde raketu chrání proti vysoce reaktivní formě kyslíku.

I titan se ovšem vzhledem k těmto vlastnostem obtížně obrábí. Obráběcí nástroje musí být ostré, udržovat linii ostří a být velmi odolné proti opotřebení, aby dokázaly zvládnout mimořádně pevné materiály. Nízká tepelná vodivost titanu ve srovnání s normální nebo korozivzdornou ocelí navíc může vést k akumulaci tepla během obrábění, což mívá za následek předčasné opotřebení nástroje.

Na co myslet při obrábění
Obrábění žáruvzdorných slitin vyžaduje specializované nástroje a techniky. Na co všechno musí vesmírní inženýři a technici myslet? Především na materiály, z nichž jsou vyrobené obráběcí nástroje. Nejčastěji se používá karbid, ale hodí se i jiné materiály, například keramika pro hrubování a nitrid bóru (CBN) pro dokončování HRSA, případně polykrystalický diamant (PCD) pro dokončování titanových slitin. Mezi další důležité aspekty patří povrchová úprava nástrojů a geometrie. Tyto materiály mají tendenci ke střihu, proto se většinou hodí ostřejší geometrie, aby při obrábění nevznikalo nadměrné teplo. Hodí se také tenčí vrstva nátěru. U HRSA se většinou povlakování metodou PVD, při obrábění titanu se nejčastěji používají nástroje bez povlaku.

HRSA slitiny se obvykle obrábějí při nižších řezných rychlostech (otáčkách) než konvenční materiály, aby nevznikalo nadměrné teplo a nedocházelo k takovému opotřebení. Důležitou roli při udržování efektivního obrábění hraje také nastavení posuvu a hloubky řezu. Vzhledem k množství tepla, které HRSA slitiny i titan při obrábění generují, hodně záleží i na správné strategii chlazení. Často se používají vysokotlaká chladiva, která pomáhají při odlamování třísek a rozptylování nadměrného tepla. Důležitý je i správný monitoring opotřebení nástroje, aby bylo možné předvídat jeho selhání a snížit pravděpodobnost poruchy destičky, které může drahou součástku poškodit.

Společnost Sandvik Coromant doporučuje pro obrábění součástek pro vesmírný průmysl především boční frézování s vysokým posuvem. Při této metodě se pracuje s obrobkem s malým radiálním záběrem, což umožňuje zvýšit řeznou rychlost, posuv i axiální hloubku řezu a zároveň zmírnit teplo i radiální síly. Na podporu této metody vyvinul Sandvik Coromant řadu CoroMill^® Plura HFS pro boční frézování s vysokým posuvem.. Do této řady patří několik stopkových fréz s jedinečnou geometrií, které se dělí do dvou hlavních skupin. První je vhodná pro titanové slitiny, druhá pro slitiny niklu.

Mimořádné požadavky
Titan a HRSA mají v současném dobývání kosmu mezi materiály nejdůležitější místo, odborníci ovšem neustále inovují i další materiály. Každý chce do vesmíru proniknout dřív než konkurence a většina organizací v oboru tak vyvíjí vlastní jedinečnou kombinaci materiálů.

Jejich složení je často tajné – může jít o titanové slitiny, ablativní materiály, uhlíkové kompozity nebo něco úplně jiného. Dodavatelům obráběcích nástrojů ho ovšem inženýři a výrobci kosmických raket nepochybně prozradí.

Společnost Sandvik Coromant se vesmírnému výzkumu věnuje po celém světě. Máme několik specializovaných výzkumných a vývojových týmů, jejichž úkolem je poskytovat poradenství ohledně nejlepších nástrojů a metod pro tuto práci. Když se na nás zákazník obrátí, náš tým s ním spolupracuje na výběru nejlepšího obráběcího řešení pro materiály dané firmy. Tato fáze obnáší testování na zabezpečeném místě, konzultace při výběru nástrojů a poradenství ohledně metodologie obrábění.

Při vývoji komponentů pro vesmírný průmysl jde opravdu o hodně. I ta nejmenší chyba v kvalitě může celou misi zbrzdit, proto je třeba věnovat pečlivou pozornost každému kroku výrobního procesu. To se týká i materiálů vybraných pro jednotlivé komponenty a také jejich obrábění. Výrobci musí udržet křehkou rovnováhu mezi pevností materiálů a obtížností při jejich zpracování. Znalost obráběcích postupů a zásad a použití vhodných nástrojů je důležitým předpokladem dalšího velkého skoku pro celé lidstvo.

www.sandvik.coromant.com

  Vyžádejte si více informací…