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
