3D-Druck hilft Raketenhersteller, vertikale Integrationsziele zu erreichen

Als die E-2-Rakete von Launcher Anfang des Jahres im Stennis Space Center getestet wurde, erzeugte sie einen beeindruckenden Schub von 10 Tonnen. Alle Bilder: Launcher

Die Medien sind heutzutage voll von Geschichten über additiv gefertigte Kraftstoffeinspritzdüsen, Treibstofftanks, Triebwerksdüsen und unzählige andere Beispiele äußerst komplexer Raketenkomponenten – alle dazu gedacht, Satelliten in die Umlaufbahn oder Menschen zum Mond und darüber hinaus zu bringen.

Tim Berry und sein Team spielen in vielen dieser Geschichten eine Rolle. Berry ist Produktionsleiter bei Launcher, einem Entwickler von Raketen- und Satellitentransferfahrzeugen/gehosteten Nutzlastplattformen.

Im April erzeugte das 3D-gedruckte E-2-Flüssigkeitsraketentriebwerk des Unternehmens aus Hawthorne, Kalifornien, bei seinem ersten Teststart beeindruckende 10 Tonnen Schub (22.046 Pfund), 288 Sekunden ISP auf Meereshöhe und 97,5 % c* im Stennis Space Center der NASA. (Spezifischer Impuls, abgekürzt ISP oder Isp, und charakteristische Geschwindigkeit, oder c*, sind Maße für die Effizienz von Raketentriebwerken.)

Click " target="_blank">Hier können Sie sich ein Video des Stennis Space Center-Tests ansehen.

Darüber hinaus soll das Orbiter-Transferfahrzeug/die gehostete Nutzlastplattform bzw. der Raumschlepper von Launcher noch in diesem Jahr an Bord des Mitfahr-Starts Falcon 9 Transporter-6 von SpaceX die Umlaufbahn erreichen. Der Großteil des Schleppers ist 3D-gedruckt.

Berry bezeichnet sich selbst als einen der größten Fans des Metall-3D-Drucks. Aber er hat auch keine Angst davor, bei Bedarf auf traditionellere Fertigungstechnologien umzusteigen – und umgekehrt.

„Klammern zum Beispiel sind ein Fehler“, sagte er. „Wenn wir also in der Maschinenwerkstatt keine Kapazität mehr haben, können wir sie in einen der 3D-Drucker einbauen. Entscheidungen wie diese treffen wir auf der Grundlage der verfügbaren Kapazität und der Notwendigkeit, unsere Geräte so lange wie möglich in Betrieb zu halten.“

„Diese Fähigkeit zu haben, ist eine der Schönheiten der vertikalen Integration. Aus diesem Grund lagern wir nur sehr wenig aus“, sagte Berry.

Der Bearbeitungs- und Fertigungsbereich von Launcher würde viele Werkstätten neidisch machen. Die Ausrüstungsliste umfasst CNC- und Handdrehmaschinen; 3- und 5-Achs-Bearbeitungszentren; eine CNC-Fräse im Portal-Stil; WIG-, MIG- und Orbitalrohrschweißgeräte; eine Reinigungs-/Beschichtungslinie; Rohrbiege- und Bördelgeräte; und das übliche Sortiment an Handwerkzeugen, das in jeder Metallbearbeitungsanlage zu finden ist.

Die mit flüssigem Sauerstoff gekühlte Kammer des E-2-Triebwerks wurde als Ganzes aus einer Kupferlegierung auf einem AMCM-Drucker gedruckt. Launcher hat den Koaxialinjektor auf einer Velo3D Sapphire-Maschine gedruckt.

Das Unternehmen nutzt all diese Geräte, um Raketenkomponenten zu verbinden, Prüfstände und Montagevorrichtungen zu bauen, Treibstoffleitungen und Abgassysteme herzustellen und eine große Anzahl von 3D-gedruckten Metallkomponenten fertig zu bearbeiten.

„Wir haben auch eine Drahterodiermaschine, mit der wir Teile herstellen, aber die meiste Zeit verbringen wir damit, 3D-gedruckte Teile von Bauplatten zu entfernen“, fügte Berry hinzu.

Berry schätzt, dass 70 % der Hardware von Launcher zunächst auf einer seiner drei Laser-Pulver-Bett-Fusion-Maschinen (LPBF) gedruckt werden. Es gibt ein Paar Sapphire 3D-Drucksysteme von Velo3D. Eines ist dem Bau von Turbopumpenkomponenten und Einzelteilen aus Inconel 718 für den Raumschlepper Orbiter gewidmet, während das andere rund um die Uhr Treibstofftanks aus Titan „herauskurbelt“.

„Bei jedem neunten Bau drucken wir eine Schubstruktur, die den Motor hält“, fügte er hinzu.

Der dritte Drucker von Launcher – eine EOS M300 – ist ein Volltreffer. Es produziert abwechselnd Titan-, Aluminium- und Kupferteile und könnte in naher Zukunft zum Drucken einiger der kostengünstigeren Refraktärmetalle und hochfesten Aluminiumlegierungen eingesetzt werden.

Ein vierter LPBF-Drucker soll bald eintreffen. Es handelt sich um ein großformatiges (450 x 450 x 1.000 mm) LPBF-System namens M4K, das von der EOS-Gruppentochter AMCM GmbH gebaut wurde.

„Unser Firmenchef und Gründer Max Haot war die Inspiration für den M4K“, sagte Berry. „Er wollte nicht den gleichen Ansatz wie andere Motorenbauer verfolgen, der darin besteht, eine Reihe kleinerer Komponenten zu drucken und sie dann zusammenzulöten oder zu verschrauben. Max und unser Chefdesigner, Igor Nikishchenko, wollten eine monolithische Struktur für mehr Einfachheit, Stärke und Zuverlässigkeit, also arbeitete er mit EOS zusammen, um eine maßgeschneiderte Großformatmaschine zu entwickeln.“

Berry fügte hinzu, dass andere Raketenhersteller dem Beispiel von Launcher gefolgt seien und auf monolithische Kammer-/Düsendrucke auf größeren, neu erhältlichen Maschinen umgestiegen seien.

Mit der Lieferung des M4K wird ein ausreichender Vorrat an C-18150 geliefert. Berichten zufolge kostet diese Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung weitaus weniger und weist Materialeigenschaften auf, die sich nur geringfügig vom inoffiziellen Industriestandard für Raketentriebwerke, GRCop-42, unterscheiden.

Die gut ausgestattete Maschinenwerkstatt und der Fertigungsbereich von Launcher spielen eine wichtige Rolle bei der Beförderung von Produkten in die Luft.

„Sie wollen sich nicht in eine Situation begeben, in der es notwendig wird, ein superteures Metall wie GRCop zu verwenden – es sei denn, Sie brauchen es unbedingt – etwas, das viele unserer Konkurrenten getan haben“, sagte Berry, der hinzufügte: „Ich Ich scherze gerne, dass ich eine Rakete aus Pappmaché bauen würde, wenn sie zuverlässig fliegen könnte.

Unorthodoxes Denken ist bei Launcher an der Tagesordnung. CEO Haot fordert die Mitarbeiter auf, ihre Entwürfe auf die ihnen zur Verfügung stehenden Werkzeuge auszurichten – eine Anweisung, die sich die Mitarbeiter zu Herzen genommen haben. Die Designer passen nicht nur ihre Komponentendesigns und Herstellungsprozesse an, um die Produkte wann immer möglich im eigenen Haus zu belassen, sie haben auch ihre eigene Engineering-Software für die Kühlkanalanalyse und die Simulation von Raketentriebwerken entwickelt.

Derartige Bemühungen bieten Vorteile, die weit über das Sparen eines Dollars hinausgehen. Es geht darum, Raumfahrzeuge in einem hart umkämpften Markt schnell, sicher und kostengünstig in die Luft zu bringen. Allerdings gebe es keine Kompromisse, wenn es um die Leistung gehe, und die Crew der Launcher sei immer auf der Suche nach Möglichkeiten, ihre Raketenantriebs- und Satellitenbeförderungssysteme weiter zu optimieren, sagte Berry.

Er verdankt diese Denkweise Haot und dem Designer Nikishchenko. „Seit der Gründung des Unternehmens lautet ihr Mantra: hohe Leistung und kostengünstiger Zugang zum Weltraum.“