Gyártás a felemelkedéshez

2023 májusában új rekordot állítottak fel az egyidejűleg az űrben tartózkodó személyek számát tekintve, ekkor egyszerre 20 ember keringett a bolygó körüli pályán. Az idén lezajlott számos űrmisszió közül a Virgin Galactic vállalat Galactic 01 útja volt az első kereskedelmi célú szuborbitális űrrepülés, és már a SpaceX is felkészült az első kereskedelmi célú űrsétájára. Az űrturizmustól a rakétainnovációig az emberiség egyre mélyebbre hatol a sötétségben. De vajon mennyit tudunk az űrkutatásban szerepet játszó szerszámokról? William Durow, a Sandvik Coromant űrkutatásért, védelemért és repülőgépiparért felelős globális mérnöki projektmenedzsere ismerteti az űrutazással kapcsolatos fémforgácsolási szempontokat.

Az elmúlt években az emberiség óriási lépéseket tett meg. Az Európai Űrügynökség JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) missziója 2023 áprilisában indult útjára, és 2030-ban érkezik meg a Jovian-rendszerbe. Három és fél évet fog a Jupiter három holdjának a megfigyelésével tölteni. A SpaceX idén mintegy 100 kilövést tervez, a NASA OSIRIS-Rex pedig 2023 szeptemberében tér vissza a Földre. És ez csak néhány a közelmúltbeli, jelenlegi és jövőbeli projektek közül, amelyek célja, hogy még több ismeretet szerezzünk a galaxisunkról.

A csillagokat ostromló siker biztosításához számos dolgot kell megfontolni. Legyen szó alapos küldetéstervezésről, szigorú szimulációról, képzett küldetésvezetőkről vagy hatékony vészhelyzeti tervezésről, a sikeres űrutazás minden szempontból gondos tervezést, előkészítést és végrehajtást igényel. Ezenkívül az űrtechnikai alkalmazásokban használt anyagoknak a legszélsőségesebb körülményeknek is ellen kell állniuk – például vákuumnak, sugárzásnak, termikus ciklusoknak és mikrometeoroid-becsapódásoknak.

Szívós anyagok

Az űrbe szánt dolgok megépítésekor az anyag megválasztása alapos megfontolást igényel, hiszen garantálni kell a biztonságot, a teljesítményt és a funkcionalitást szélsőséges körülmények között is. Szerkezetileg az anyagoknak képesnek kell lenniük ellenállni a kilövés és a repülés során tapasztalt nagy nyomásoknak és feszültségeknek. Az űrhajók intenzív hőhatásnak lesznek kitéve a Föld légkörébe való visszatérés során, így a külső anyagoknak meg kell akadályozniuk az űrhajó kigyulladását, de az olyan alkatrészeket is hőálló anyagból kell gyártani, mint például a hajtómű fúvókája.

A súly egy további szempont, különösen az olyan elemek esetében, mint a rakétaüzemanyag-tartályok, ahol egy könnyebb tartály jobban ellenáll a szerkezeti feszültségeknek, és segítheti a hasznos teherbírást. Minél nagyobb a rakéta súlya, annál kisebb hasznos terhet tud az űrbe szállítani, beleértve a műholdakat, a tudományos műszereket és a személyzetet is. A könnyebb tartályok ily módon lehetővé teszik, hogy a rakéta össztömegének nagyobb részét a hasznos teher tegye ki, ezzel maximalizálva a küldetés lehetőségeit.

Ezen alkalmazások népszerű anyagai közé tartoznak a hőálló szuperötvözetek (HRSA-k). Ezek az anyagok előnyösen használhatók a világűrben, mivel különös ellenálló-képességgel rendelkeznek zord körülmények között is. Szívósságuk azonban megmunkálási kihívásokat is jelent.

A HRSA-kat úgy tervezték, hogy ellenálljanak a szélsőséges hőmérsékleteknek, a mechanikai igénybevételeknek és a korrozív környezetnek, és elsősorban olyan alkalmazásokban használják őket, ahol a hagyományos anyagok használata szélsőséges körülmények között korlátokba ütközik. Mivel mechanikai tulajdonságaikat és szerkezeti integritásukat nagyon magas, gyakran 1000 °C-ot (1832 °F) meghaladó hőmérsékleten is képesek megtartani, valamint kiváló kúszásállósággal és jó hőstabilitással rendelkeznek, a HRSA-kat olyan alkatrészekhez használják, mint a turbinalapátok, kipufogófúvókák és kamrák.

A HRSA-knak azonban megvannak a saját korlátai, különösen a megmunkálhatóság szempontjából. Miközben az anyagok metallurgiai összetételét úgy alakították ki, hogy szélsőséges hőmérsékletnek kitéve is megőrizzék tulajdonságaikat, ez azt is jelenti, hogy az ezen anyagok megmunkálása során keletkező feszültségek nagyok. A nikkel alapú szuperötvözeteknek azon egyedülálló képessége, hogy olvadáspontjuk közelében teljesítenek, rossz megmunkálhatóságot jelent.

Az űrtechnikai alkatrészekhez használt másik kulcsfontosságú anyag a titán. A titán egy könnyű fém, amelynek sűrűsége nagyjából fele az acélénak, ezzel segít csökkenteni az űrhajók össztömegét, ami viszont nagyobb üzemanyag-hatékonyságot és hasznos teherbírást eredményez. Emellett rendkívül korrózióálló és kiválóan ellenáll az atomi oxigénnel szemben, így a titán ideális az alacsony Föld körüli pályán történő alkalmazásokhoz, ahol az oxidréteg védelmet nyújthat az oxigén ezen erősen reaktív formájával szemben.

Ezek az előnyök azonban megnehezítik a titán megmunkálását. A forgácsolószerszámoknak élesnek kell lenniük, meg kell tartaniuk az élvonalat és hihetetlen kopásállósággal kell rendelkezniük, hogy megküzdjenek az anyag nagy szilárdságával, míg az olyan fémekhez képest, mint az acél vagy a rozsdamentes acél, az alacsony hővezető-képesség a megmunkálás során hőfelhalmozódáshoz vezethet, ami a szerszámok idő előtti kopását eredményezheti.

Megmunkálási szempontok

A hőálló szuperötvözetek megmunkálása speciális szerszámokat és technológiát igényel. Mit kell tehát figyelembe venniük az űrmérnököknek? Először is át kell gondolniuk a forgácsolószerszámok anyagát. Jóllehet a keményfém a legelterjedtebb anyag, más anyagok is rendelkezésre állnak, így például a kerámia használható a nagyolási műveletekhez, a köbös bórnitrid (CBN) a HRSA-k simításához, illetve a polikristályos gyémánt (PCD) a titánötvözetek simításához. A szerszámbevonat és a geometria szintén fontos szempontok. Ezek az anyagok tűrik a nyírást, így az élesebb geometria általában jobb megoldás annak megelőzésére, hogy a megmunkálás során jelentős hő termelődjön. A vékony szívós anyagok egyértelműen előnyösek. A fizikai gőzfázisú leválasztás (PVD) általában az első számú választás a HRSA anyagok esetében, azonban a titán esztergálási alkalmazásokban a bevonat nélküli minőséget részesítik előnyben.

A HRSA-kat általában alacsonyabb forgácsolási sebességgel (ford/perc) munkálják meg a hagyományos anyagokhoz képest, hogy megakadályozzák a túlzott hőfelhalmozódást és a horonykopást. Az előtolási sebességek és a fogásmélységek beállítása szintén kulcsfontosságú szerepet játszik a hatékony megmunkálás fenntartásában. A megfelelő hűtési stratégia szintén kulcsfontosságú a HRSA-k és a titán megmunkálása során keletkező hőmennyiség miatt. Gyakran alkalmaznak nagynyomású hűtőfolyadékot a jó forgácstörés elérésére és a felesleges hő elvezetésére. A gyártók a szerszámkopás ellenőrzését is előtérbe kívánják helyezni, hogy előrejelezhető legyen a szerszám meghibásodása, és csökkentsék a lapka meghibásodásának esélyét, ami károsíthatja a drága alkatrészt.

Az egyik módszer, amelyet a Sandvik Coromant az űrtechnikai alkatrészek megmunkálásához javasol, a nagy előtolású palástmarás. A technológia magában foglal egy kis radiális kapcsolatot a munkadarabbal, amely lehetővé teszi a nagyobb forgácsolási sebességeket és előtolási sebességeket, valamint az axiális fogásmélységeket, csökkentett hővel és sugárirányú erőkkel. Ennek a módszernek a támogatására a Sandvik Coromant kifejlesztette a CoroMill^® Plura HFS nagy előtolású palástmaró termékcsaládot. A termékcsalád egyedi geometriájú és minőségű szármarók sorozatából és két szármarócsaládból áll. Az egyik termékcsalád titánötvözetekre, a másik pedig nikkelötvözetekre optimalizált.

Egyedi követelmények

Míg a titán és a HRSA-k kulcsfontosságú anyagok az űrversenyben, a szakértők folyamatosan fejlesztik saját anyagaikat is. Az űrbéli versenyelőny megszerzéséért a legtöbb, ezen a területen működő szervezet saját, egyedi anyagot is fejleszt.

Ezeknek az anyagoknak az összetételét gyakran titok övezi – lehet titánötvözet, ablatív anyag, szénszál, szénszálas kompozit vagy valami egészen más. Az űrmérnökökön kívül az anyagkeverék összetételét a gépipari beszállítók is megismerik.

A Sandvik Coromant esetében az űrkutatással kapcsolatos szakértelmünk világszintű, és több külön K+F csoportot is magában foglal, amelyek feladata, hogy tanácsot adjanak a feladathoz leginkább megfelelő eszközök és technológiák kiválasztásában. Amikor egy ügyfél felkeresi a Sandvik Coromantot, a csapat minden erejével azon lesz, hogy megtalálják az ügyfél anyaggal szemben támasztott követelményeinek megfelelő megmunkálási megoldást. Ez magában foglalhatja a biztonságos helyszínen történő tesztelést, a szerszámok kiválasztásával kapcsolatos tanácsadást és a megmunkálási módszerekkel kapcsolatos tanácsadást.

A világűrbe szánt alkatrészek fejlesztésekor nagy a tét. Még a legcsekélyebb minőségi romlás is megakadályozhatja a kilövést, ezért gondosan ügyelni kell a gyártási folyamat minden egyes lépésére. Ez magában foglalja az egyes alkatrészekhez kiválasztott anyagokat és a megmunkálás módját. Ahhoz, hogy a csillagok közötti pályákon sikereket érjenek el, fontos, hogy a gyártók egyensúlyt teremtsenek a szívós anyagok és az általuk támasztott megmunkálási kihívások között. A megfelelő megmunkálási szakismeretekhez és robusztus szerszámokhoz való hozzáférés kulcsfontosságú szerepet játszik a következő nagy ugrás megtételében.

Sandvik Coromant