Крупный титановый топливный бак, изготовленный методом 3D-печати, успешно прошёл испытания на прочность. Согласно недавнему сообщению Корейского института промышленных технологий (KITECH), компонент выдержал экстремальные температуры и давление — впервые в мире для такого изделия.
Технические характеристики
Сосуд диаметром 640 мм изготовлен из титанового сплава Ti64. Он выдержал давление в 330 бар при охлаждении до −196 °C с помощью жидкого азота. Компонент был разработан в рамках совместного проекта с Корейским институтом аэрокосмических исследований (KARI), KP Aviation Industries, AM Solutions и Университетом Ханьян.
Преодоление ограничений традиционного ковки
Компоненты высокого давления являются важными элементами ракет-носителей, используемыми для подачи жидкого топлива и управления ориентацией аппарата. Они должны быть лёгкими и прочными, сохраняя стабильную работу при контакте с криогенными пропеллентами.
До сих пор эти детали в основном изготавливались методом ковки, при котором титановый сплав прессуется в фиксированную форму. Этот процесс эффективен для стандартизации, но ему сложно удовлетворить спрос на нестандартные детали различных форм и размеров.
«В прошлом, когда космическими разработками руководило государство, использование стандартизированных деталей не было проблемой. Однако сейчас мы живём в эпоху „Нового космоса“, где частные компании разрабатывают небольшие ракеты-носители для своих конкретных целей, — пояснил доктор Ли Хюб, главный исследователь KITECH. — Потребность в нестандартных деталях возросла: теперь компании заказывают баки объёмом 110 л вместо стандартных 130 л или детали альтернативной формы, например, цилиндрической».
Проблемы и решения
Зависимость от ковки создаёт проблемы, поскольку крупномасштабные предприятия по ковке титана встречаются нечасто. Южная Корея обычно импортировала эти компоненты, в основном из Украины. Недавние геополитические события вызвали опасения по поводу стабильности цепочек поставок, подчеркнув необходимость развития отечественного производства.
Процесс ковки также занимает много времени — часто от шести месяцев до года, что может замедлить сроки разработки аппаратов.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа использовала метод направленной энергетической укладки (DED) — 3D-печать. Этот метод использует лазер для плавления металлической проволоки, создавая компонент слой за слоем по цифровому проекту.
Процесс включал изготовление двух отдельных полушарий, которые затем были обработаны на станке и сварены для формирования сосуда. Процесс печати занял три дня, а весь производственный цикл был завершён за несколько недель, что значительно сократило время производства.
Одним из препятствий проекта было преодоление скептицизма отрасли по поводу использования 3D-печати для таких критически важных применений. Существовало мнение, что возможность возникновения микродефектов делает технологию непригодной для компонентов высокого риска, таких как сосуды под давлением, где отказ может иметь серьёзные последствия.
«Хотя 3D-печать использовалась для создания форм и раньше, ни один компонент никогда не проходил сертификацию на безопасность в экстремальных условиях реального запуска, — сказал доктор Ли. — Это был тест с высокими ставками, где отказ означал, что прототип мог взорваться, как бомба, поэтому поначалу мы столкнулись со значительным сопротивлением даже для того, чтобы попытаться».
Прототип был представлен для криогенного испытания давления в KARI. В условиях безопасности, огороженных бетонными барьерами, сосуд был охлаждён до −196 °C и успешно выдержал давление в 330 бар — силу, в 165 раз превышающую стандартное давление в шинах. Результат показал, что напечатанный на 3D-принтере компонент может соответствовать высоким стандартам надёжности, требуемым для сложных космических условий.
«Я был рад, что испытания прошли без происшествий, — отметил доктор Ли. — Я чувствую огромную гордость за то, что доказал: процесс 3D-печати можно использовать даже для высокопроизводительных компонентов».
Совместная исследовательская группа планирует провести дополнительные испытания, включая многократное повышение давления до рабочих уровней, чтобы подготовить технологию к практическому применению.