ESA experimenteert met Vlaamse knowhow in Additive Layered Manufacturing - artikel

Plant & Factory 6/05/2013 9:12:31

3D-printing zit in de lift. En Vlaamse bedrijven zitten in de kopgroep van het onderzoek en de toepassing van de technologie in de praktijk.

Download het artikel in

ENGINEERINGNET.BE -- Dat is bijvoorbeeld het geval met LayerWise, een spin-off van de KULeuven, dat samen met het Europees Ruimtevaartagentschap experimenteert met Additive Layered Manufacturing. De bedoeling: de mogelijkheden aftasten voor de constructie van een bi-drijfgas motor, bestemd voor een communicatiesatelliet.

ESA heeft in dit project de ontwerpkansen van Additive Layered Manufacturing – of ALM - aangegrepen om functioneel gescheiden ontwerpen te construeren voor een aantal satellietonderdelen, zoals de injectoren, verbrandingskamers en uitstroomstraalpijpen.

Dat is onder meer het geval met een ontwerp uit één stuk van de verbrandingskamer, waarin dan een dunnewanddrukvat met een ondersteunend externe structurele scaffold wordt versterkt. Die constructie bespaart op gewicht, de montage wordt vereenvoudigd, de productie versneld en aanpassingen zijn tot in een laat stadium van het ontwerp mogelijk.

De huidige stand van ALM
Communicatiesatellieten zijn van essentieel belang voor mobiel internet en beveiligde financiële communicatie tussen banken, rechtstreekse tv-uitzendingen en aardobservatie ten behoeve van weervoorspellingen. Een van ESA's taken is toezicht houden op de ontwikkeling van in-space satellietmotortechnologie.

Als onderdeel van een intern gefinancierd programma onderzoekt ESA de huidige stand van Additive Layered Manufacturing bij metaal, waarbij het potentieel en de volgroeidheid van de technologie worden bekeken in het licht van te verwachten ontwikkelingen op het gebied van motoren.

ESA koos voor het Vlaamse LayerWise naar verluidt 'vanwege de expertise van dit bedrijf op het gebied van ALM-technologie': de overeenkomst was dat LayerWise de 'klassieke' ontwerpen van de drie kritische motoronderdelen mocht maken, maar als onderdeel van het onderzoeksproject tegelijk ook alternatieve, door ALM mogelijk gemaakte, functionele ontwerpvarianten zou ontwikkelen.

Innovatieve injector manifolding
Het injectorgedeelte van een satellietmotor brengt op een gecontroleerde manier twee drijfgassen samen waarbij deze spontaan ontbranden en vervolgens continu blijven branden. De venturi-vormige verbrandingskamer versnelt de chemische uitlaatgassen naar het vermogen dat nodig is om de satelliet naar zijn juiste baan te brengen.

Het expansiemondstuk beïnvloedt de bewegingskarakteristieken door de gasdoorstroming verderop in de stroom te regelen. «ALM biedt innovatieve manifolding om de doorstroming van de drijfgasregelkleppen naar de verbrandingskamer te optimaliseren», zegt Simon Hyde van ESA.

«De ontwerpvrijheid die ALM biedt, maakt het ESA mogelijk om het aantal onderdelen van de injectorsamenstelling terug te brengen tot één, waar dit bij conventionele fabricage vijf onderdelen waren. Hierdoor worden veel risicovolle afdichtingslassen overbodig, die bij de oude werkwijze nodig waren om een betrouwbaar hydraulisch inspuiten te waarborgen.

Dit leidt zowel tot lagere kosten als tot een aanzienlijk kleiner risico.» Door verwerving van de volledige controle over het ALM-productieproces bereikt LayerWise een homogene microstructuur met een relatieve dichtheid tot 99,98% voor een toenemend aantal metalen en legeringen inclusief titanium.

ALM is ook geschikt voor het fabriceren van een thermisch injector-ontwerp dat voorkomt dat warmte teruggezogen wordt naar de gevoelige aandrijfkleppen en naar het ruimtevaartuig zelf. De afwezigheid van toegangsbeperkingen voor gereedschappen maakt een herontwerp van de thermische standoff mogelijk door het beheersen van de geleidbaarheid met in plaats daarvan gebruikmaking van een metalen stellage.

Gebouwd uit vluchtgeschikt titaniummateriaal (Ti6Al4V), benaderen de injectoronderdelen naar verluidt 'momenteel al de productbetrouwbaarheidswaarborgen van de ruimtevaartsector en de ontwerpbehoeften van de raketmotorontwerper'.

Gescheiden kamerfuncties
De verbrandingskamers van compacte in-satellite motoren bestaan doorgaans uit een convergent-divergent mondstuk met een niet-ondersteund mondstuk als uitgang. De drijfgasreacties gaan nog door in de convergente sectie, voordat de uitstromende gassen door de smalle opening naar de divergente sectie stromen waar ze supersonisch uitzetten.



Bestaande kamers zijn ontworpen om niet-operationele belastingen tijdens de lancering te kunnen weerstaan, waarbij met een grotere wanddikte deze tijdelijke belastingen het hoofd worden geboden. Eenmaal onderweg en operationeel hoeven de kamers niet een dergelijke wanddikte te bezitten.

Simon Hyde zegt dat ALM het toeliet om de kamerfuncties te scheiden tussen operationele en niet-operationele belastingen. Intuïtief vertaalt zich dit in strut-werk ribben die de dunne verbrandingskamerwand en de gelaste flens voor de bevestiging van het expansiemondstuk ondersteunen.

In plaats van het ruwe strut-werk produceerde LayerWise de draagstructuur als ALM low-density mesh. Omdat de volumetrische dichtheid slechts 12% is, levert ALM potentieel een grote reductie in verbrandingskamergewicht en verbetering van de structurele veiligheidsmarges.

De werkelijke verbrandingskamer bestaat niet uit Ti6Al4V-materiaal, maar uit een legering met een zeer hoog smeltpunt (bijvoorbeeld op basis van niobium, molybdeen, tantaal, wolfraam en/of rhenium) om de extreme verbrandingswarmte te kunnen weerstaan.

Nader onderzoek van dit revolutionaire verbrandingskamerontwerp omvat de studie van de isotropie van deze scaffold in het spanningsveld evenals de gedetailleerde thermische impact ervan. Aan de ene kant verhoogt deze mesh de effectieve oppervlak-emissiviteit, en aan de andere kant beïnvloedt het de warmtefluxen rond de kamer.

Grootschalige ALM
Bijkomend onderzochten ESA-ingenieurs ALM voor het vervaardigen van een expansiemondstuk met een uitgangsdiameter van bijna 50 centimeter. Dit is overigens waarschijnlijk het grootste SLM-onderdeel ooit gebouwd.

De spanning in het mondstuk is verhoudingsgewijs laag en het minimaliseren van de overhangende massa is van cruciaal belang voor een betere marge op het cantilevermotorontwerp. Het ALM-expansiemondstuk werd in titanium (Ti6Al4V) gefabriceerd, dat grotendeels aan de mechanische en thermische vereisten voor expansie voor het mondstuk voldoet.

Volgens Hyde biedt ALM onmiskenbare fabricagevoordelen ten opzichte van traditionele spin-forming van metalen plaatmateriaal, wat in feite alle ontwerpflexibiliteit doodt. Met ALM kunnen de motorprestaties worden getuned naar klantspecifieke voortstuwingsprofielen, wat vele ontwerpopties tot laat in het productieproces open houdt. << (foto's: LayerWise)
door Rob Snoeijs, LayerWise

Registreer voor e-Krant
Engineeringnet Mobile



Scan de QR-code
of klik hier om mobiel te surfen.

Tip: maak zelf een sneltoets op de startpagina van je smartphone. Voor Android: “Sneltoets Startpagina” of "Toevoegen aan startscherm". Voor iPhone: “Zet in beginscherm”.

Verwant

België heeft zijn eerste Industrie 4.0-fabriek te pakken - artikel

Laserlassen en 3D-printing in de ruimtevaart

Thales Alenia Space werkt aan zonnepanelenfabriek in Hasselt

Chinese zonnedrone zoekt ruimte op (+video)

VARIO-ruimtevaartproject van start gegaan

QinetiQ Space levert koppelingssysteem voor Dream Chaser

>> Meer verwant nieuws
Carrièrekansen (meer)
Actief op zoek naar een nieuwe functie als werknemer of een opdracht als zelfstandige? Meld je aan bij Engineeringnet Techpost
Meest gelezen nieuws

Logistieke oplossingen gezocht voor hoge kosten leeggoed

LRM investeert 250.000 euro in fietsleasing-bedrijf

Vorig jaar 25% meer warmtepompen geïnstalleerd

40% meer ruimte voor groene energie dankzij slimme netten

Ecochem investeert 10 miljoen in uitbreiding Willebroekse fabriek (+video)

Nieuw innovatief bedrijfsnetwerk Offshore Energie opgericht

Agenda

Energy Efficiency in Industry

Building 904, Technologiepark, Zwijnaarde

van 9/05/2017 tot 12/12/2017

Agoria Academy: ISOBUS

Hogeschool Vives - Kortrijk

zondag 6 augustus 2017

Opleiding trillingsanalyse CAT.II
volgens ISO 18436-2

Crowne Plaza Antwerpen

van 18/09/2017 tot 22/09/2017

Opleiding trillingsanalyse CAT.I
volgens ISO 18436-2

Crowne Plaza Antwerpen

van 13/11/2017 tot 16/11/2017

Cursus uitlijnen - niveau 1 asuitlijnen

Crowne Plaza Antwerpen

dinsdag 21 november 2017

Opleiding laseroptisch uitlijnen voor gevorderden

Crowne Plaza Antwerpen

van 22/11/2017 tot 23/11/2017

Keuze van de redactie

(22/6) Solar Team heeft nieuwe zonnewagen voorgesteld

(19/6) Drone levert postpakketjes af en redt mensenlevens

(14/6) Bombardier grijpt definitief naast mega-bestelling van De Lijn

(12/6) Tesla opent eerste Belgische superchargerlocatie op zonne-energie

(7/6) EHLA alternatief voor hardverchromen (+video)

(6/6) 3D printen in bouw mogelijk met EFRO-steun

>> Meer blikvangers
Bedrijfspagina's

Reageer of publiceer aanvullende informatie
Mis ook dit niet...

Jaguar Land Rover kiest Educam als opleidingscentrum

Educam en Jaguar Land Rover Benelux slaan de handen in elkaar voor een nieuwe carrosserieopleiding waarin veiligheid primeert op esthetiek.

Nieuwe diagnostische test voor ALS

Onderzoekers van VIB, KU Leuven, UZ Leuven en de universiteit van Jena hebben aangetoond dat een meting van neurofilamenten de diagnose van ALS op een betrouwbare manier kan bevestigen.

Laserlassen en 3D-printing in de ruimtevaart

Laserlassen en 3D-printen levert nu al Ariane 6 raket nozzles met 90% minder componenten. Ze zijn ook 40% goedkoper en 30% sneller gebouwd.

Belgische export in geneesmiddelen en vaccins floreert

Uit de Farmacijfers 2016, van pharma.be, blijkt dat er vorig jaar voor 40,7 miljard euro aan geneesmiddelen en vaccins vanuit België geëxporteerd zijn.

Isolatieraad eert Roger De Block

Tijdens zijn jaarlijkse 'Isolatielunch,' die dit jaar in Namen plaatsvond, heeft de Isolatieraad Roger De Block in de bloemetjes gezet.

Waterzuivering: design for maintainability en reliability - artikel

Wanneer engineering en maintenance de handen in elkaar slaan, valt winst te rapen. Een engineering fase die al rekening houdt met later onderhoud is de droom van menig onderhoudsingenieur.

Umicore neemt katalysatoractiviteit over van Haldor Topsoe

Umicore kondigt aan dat het een overeenkomst heeft bereikt om Haldor Topsoe's katalysatoractiviteit voor zware diesel- en stationaire toepassingen over te nemen voor ca. 120 miljoen euro.

SCK•CEN gaat samenwerken met Korea Atomic Energy Research Institute

Vorige week, tijdens een economische missie in de Republiek Korea, tekende het SCK•CEN een samenwerkings­overeenkomst met zijn Koreaanse tegenhanger KAERI, Korea Atomic Energy Research Institute.

Drone levert postpakketjes af en redt mensenlevens

Ingenieur Bart Theys, KU Leuven, ontwikkelde met CargoCopter een nieuw type drone, die postpakketjes kan afleveren, een brand kan blussen of mensenlevens kan redden.

Europa investeert 2 miljoen euro in provincie Antwerpen

De EU investeert via het fonds Interreg Noordzeeregio 2 miljoen euro in projecten waarmee ingezet wordt op (eco) innovatie, duurzaam milieu- en natuurbeheer en duurzame mobiliteit.

Een gesprek met een werknemer opnemen ? - column

Heb je een probleem met een werknemer uit te klaren, dan kan het wel eens gebeuren dat hij jullie gesprek opneemt met zijn smartphone. Maar… is dit wel toegelaten?

VIB spin-off ontwikkelt nieuwe generatie biologische bestrijdingsmiddelen

Aphea.Bio zal zal op basis van in de natuur voorkomende micro-organismen duurzame oplossingen ontwikkelen om de opbrengst van gewassen te verhogen en ze beter te beschermen.

BASF bestelt 482 tankcontainers bij Van Hool

Van Hool is gestart met de productie van 482 tankcontainers, die door BASF in het Duitse Ludwigshafen zullen ingezet worden voor het transport van diverse chemische producten.

9 nieuwe windturbines in het Waalse gewest

Deze windturbines uit het Greensky-project, gelegen langs de E40 rondom de gemeentes Lincent, Orp-Jauche, Hélécine en Hannut, zullen stroom leveren aan het lokale treinverkeer

Hoogwaardig multitouch-panel
voor Ex-zone 2

Met de nieuwe control panel-serie CPX biedt Beckhoff een systeemgeïntegreerde oplossing voor bescherming tegen explosies tot in Zone 2/22. De hoogwaardige aluminium behuizing garandeert de betrouwbaarheid en lange levensduur onder omstandigheden met explosiegevaar. >>

Nieuwe stappenmotor AZ-serie
Oriental Motor

Kenmerkend voor de energiezuinige stappenmotormotor is o.a. het feit dat er géén referentiecyclus nodig is nadat de motor is gestoord door bijv. een signaalfout. De eenvoudig in te stellen motoren zijn te voorzien van een tandwielkast met een elektromagnetische rem. >>