Un proyecto Horizon 2020 de la Unión Europea (UE) llamado “SMall Innovative Launcher for Europe” (también conocido como el Proyecto SMILE) tiene como objetivo diseñar un vehículo de lanzamiento satelital pequeño para entregar satélites pequeños (hasta 150 kg) en una órbita heliosincrónica a 500 km. El Instituto de Estructuras y Diseño del Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt o DLR), con sede en Stuttgart, Alemania, es una de las catorce organizaciones participantes y es responsable del desarrollo de un inyector de motor cohete líquido para el lanzador del Proyecto SMILE. El enfoque del Instituto en un sistema de propulsión líquida se debe al potencial de renovación y reutilización del sistema, por lo que ofrece una solución más rentable para pequeños lanzadores satelitales.
A la luz de la alta complejidad del componente del cabezal del inyector de su motor de oxígeno líquido (LOX)/queroseno, DLR se asoció con el Centro de Innovación para el Cliente (CIC) de 3D Systems en Lovaina, Bélgica, para diseñar un inyector impreso en 3D que proporciona nuevas posibilidades y rendimiento. El CIC de Lovaina de 3D Systems es uno de los cuatro centros globales dedicados a acelerar las aplicaciones avanzadas al brindarles a los clientes acceso a los recursos necesarios para desarrollar, validar y comercializar sus productos.
Asociarse para alcanzar el éxito
Al optar por imprimir en 3D el cabezal de inyección coaxial, DLR buscó aprovechar varios beneficios clave de la fabricación aditiva, incluida la reducción de la cantidad de piezas con un diseño monolítico, así como la integración de funciones clave como canales de enfriamiento para un mejor rendimiento general del sistema de propulsión.
Markus Kuhn e Ilja Müller administran el proyecto del cabezal del inyector en DLR y dicen que seleccionaron a 3D Systems como socio debido al exitoso historial de la empresa de impresión 3D en impresión 3D en metal para aplicaciones aeroespaciales. “Basándonos en el éxito de las iniciativas relacionadas con el espacio que involucran a DMP, pensamos que 3D Systems era perfecto para proporcionar los aspectos de diseño para la fabricación del cabezal del inyector, con la mirada puesta en las nuevas posibilidades de integración de sensores y distribución de combustible y refrigerantes”, dice Kuhn.
Optimizar el diseño del inyector de combustible y reducir el recuento de piezas
El inyector de un cohete es la pieza desde la que el combustible y el oxidante entran en la cámara de combustión. Un inyector de combustible líquido para cohetes exitoso expulsa estos componentes de forma tal para garantizar que se atomicen y mezclen adecuadamente para producir la combustión requerida para mover el cohete.
Según Koen Huybrechts, un ingeniero de proyectos de 3D Systems, el cabezal del inyector alimentado por líquidos imaginado por DLR incluye varias características que mejoran el rendimiento y que se facilitan de forma exclusiva mediante la impresión 3D con DMP: “La necesidad de un rendimiento y una refrigeración optimizados, la complejidad del diseño de los canales de sensores de presión y temperatura, y el deseo de simplificar el ensamblaje y la producción con procesos sistemáticos y fácilmente repetibles, todos apuntan a la Impresora ProX® DMP 320”, dice Huybrechts.
La impresión 3D en metales con DMP le permitió a DLR lo siguiente:
- Optimizar el rendimiento de las piezas a través de nuevas oportunidades para la distribución de combustible y refrigerante.
- Implementar de forma sencilla los canales del sensor de presión y temperatura con trayectoria 3D.
- Eliminar los pasos intermedios de producción y ensamblaje.
- Optimizar de forma independiente el rendimiento térmico, de masa e hidráulico sin las restricciones de los métodos de fabricación tradicionales.
- Evitar los puntos de falla del ensamblaje y mejorar los aspectos de calidad con un diseño monolítico.
- Reducir los pasos de maquinado para producir un inyector multifuncional y altamente integrado.
Al usar la impresión 3D en metal, DLR pudo cambiar drásticamente la metodología de diseño de sus inyectores coaxiales y evitar la necesidad de múltiples subcomponentes, lo que contribuyó a reducir considerablemente el tiempo y el costo de producción. La reducción de la cantidad de piezas de 30 a una contribuyó a una reducción del peso final del diez por ciento y eliminó los puntos de error conocidos en las zonas de fijación para satisfacer las medidas de control de calidad relacionadas y mejorar el rendimiento del sistema.
Consolidación de piezas con impresión de metales de precisión
Los ingenieros de aplicaciones de 3D Systems utilizaron 3DXpert™ para preparar el archivo del cabezal del inyector para la impresión. 3DXpert es un software todo en uno que cubre todo el proceso de fabricación aditiva de metales. 3D Systems realizó operaciones previas a la impresión para facilitar la eliminación del polvo en el postprocesamiento, así como una verificación de la capacidad de impresión para garantizar que la pieza se construiría sin complicaciones.
La pieza final fue impresa en el CIC de Lovaina de 3D Systems en una impresora de metal ProX DMP 320 de 3D Systems en LaserForm® Ni718 (A), una aleación Inconel resistente a la oxidación y a la corrosión. LaserForm Ni718 (A) se caracteriza por una buena resistencia a la tracción, la fatiga, el agrietamiento y la ruptura a temperaturas criogénicas de hasta 700 °C. y, por lo tanto, es ideal para aplicaciones a altas temperaturas.
Una vez impreso, el equipo de 3D Systems retiró el material no utilizado del interior de la pieza, aplicó un tratamiento térmico en la pieza para aliviar la tensión y retiró la pieza de la placa de impresión mediante la electroerosión (EDM) por hilo.
La producción sin herramientas acelera el ciclo de diseño
Con DMP y la experiencia en fabricación aditiva de 3D Systems, DLR pudo incorporar y explorar rápidamente cambios de diseño sin la necesidad de usar herramientas que consumen mucho tiempo. Esta funcionalidad fue crítica para el ciclo de diseño de DLR, ya que enfrentó tiempos de entrega de apenas unas semanas para el diseño de la primera fase y las pruebas del prototipo del cabezal del inyector.
“La combinación de los conocimientos de ProX DMP 320 y 3D Systems sobre el diseño para la impresión 3D nos permitió probar más opciones de diseño en mucho menos tiempo”, dicen Kuhn y Müller.
La impresión 3D en metal permitió que DLR aplicara técnicas de inyección coaxial con un elemento inyector de doble espiral para optimizar la mezcla de combustible y oxidante del cabezal del inyector. Se implementaron dos soluciones de enfriamiento diferentes, cada una con canales finos con accesorios de tamaños mínimos de 0,2 mm y relaciones máximas de longitud/diámetro de 45. El diseño también integra un accesorio de colocación de película en el cabezal del inyector, lo que permite a los ingenieros ajustar el caudal másico de la película directamente en el inyector.
Mayor rendimiento a menores costos
DLR descubrió mejoras de rendimiento adicionales integrando directamente un sistema de distribución de refrigerantes con el inyector, lo que permitió a los ingenieros implementar y controlar independientemente las técnicas de transpiración de paredes y enfriamiento de películas. Cuando se aplica dentro del inyector, se forma una película refrigerante en el lado interior caliente de la cámara de combustión que protege la estructura de la pared de los fluidos de temperatura elevada. Este tipo de sistema se considera mucho más fácil y barato de fabricar que el enfriamiento regenerativo clásico.
Junto con materiales cerámicos sofisticados como compuestos de matriz de fibra cerámica (CMC), el enfoque de diseño y fabricación desarrollado por DLR y 3D Systems podría permitir que las estructuras y los sistemas desarrollados para el cabezal del inyector se reutilicen varias veces y que la tecnología se transfiera a otras aplicaciones.
Para evaluar el nuevo diseño, DLR realizó simulaciones numéricas de flujos internos para calcular las distribuciones de combustible y las pérdidas de presión asociadas en las líneas de alimentación de cada propulsor. Las pruebas posteriores de flujo frío mostraron una buena correlación entre los datos medidos de forma numérica y experimental. Las pruebas en caliente para el cabezal del inyector final impreso en 3D en PLD Space en España (otro socio del proyecto SMILE) mostraron buenas eficiencias de mezcla y combustión en combinación con el conjunto de la cámara de empuje del cohete diseñado por DLR.
En el futuro, se espera que los nuevos procesos de diseño y fabricación facilitados por la impresión en metal continúen brindando un alto grado de libertad geométrica, menos pasos de producción para un tiempo de comercialización más rápido, uso optimizado de materiales y piezas, mejoras continuas de rendimiento e integridad estructural mejorada para extender la vida útil del inyector.
“Podemos decir con seguridad que las funcionalidades integradas del cabezal del inyector impreso en 3D son superiores y que los tiempos y costos de producción son menores en comparación con piezas equivalentes de última generación fabricadas mediante métodos convencionales”, dice Müller.
Fabricación aditiva en metal para el sector aeroespacial
La impresión 3D en metal ha cobrado impulso como tecnología clave en la aeronáutica y la industria aeroespacial debido a la alineación de sus beneficios con las prioridades clave de la industria, que incluyen menor peso, ahorro de combustible, mayor eficiencia operativa, consolidación de piezas, tiempo de comercialización acelerado y menos requisitos de almacenamiento para las piezas.
Los proyectos recientes que han demostrado la eficacia de la tecnología DMP de 3D Systems en el mercado aeroespacial incluyen:
- El primer filtro de radiofrecuencia (RF) impreso en 3D se probó y validó para el uso en satélites de telecomunicaciones comerciales. El nuevo filtro de Airbus Defence and Space reduce el peso en un 50 por ciento en comparación con los diseños anteriores.
- Los soportes de titanio que son 25 por ciento más ligeros y presentan una mejor relación rigidez-peso que los fabricados por medios tradicionales, introducidos a través de una colaboración entre Thales Alenia Space y 3D Systems.
- Piezas de motor creadas en un proyecto por la Agencia Espacial Europea (ESA) y 3D Systems que ahorran peso, simplifican el ensamblaje, aceleran la fabricación y facilitan la adaptación del diseño en las últimas etapas.
- Un soporte para avión topológicamente optimizado que reduce el peso en un 70 por ciento al mismo tiempo que satisface todos los requisitos funcionales y cumple con el desafío de GE Aircraft.
Póngase en contacto con nosotros para obtener más información sobre DMP para su aplicación.
Este trabajo se realiza dentro del proyecto “SMall Innovative Launcher for Europe”. SMILE, coordinado por NLR, recibió fondos del “Programa de Investigación e Innovación Horizon de 2020” de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvenciones N.º 687242.
