US-Militär forscht an 3D-gedruckten Raketentriebwerken

Das Air Force Research Laboratory (AFRL), Abteilung für Raketenantriebe, hat vor kurzem eine Schubkammer für einen Raketentriebwerksblock entworfen, gedruckt, gebaut und abgefeuert. Das Team setzte dabei auf das 3D-Druck-Verfahren Directed Energy Deposition (DED).

Das DED-Verfahren ermöglicht die Einbringung von Metallpulver in hochfokussierte Laserstrahlen unter kontrollierten atmosphärischen Bedingungen.

„Die Investitionen von AFRL in frühe, fortschrittliche Fertigungstechniken ermöglichen es uns, Ecken des Designraums für Raketentriebwerke auszunutzen und schnellere Designumlaufzyklen von einem Konzept am Whiteboard bis hin zu Test und Bewertung im Feld zu ermöglichen“, sagte Dr. Javier Urzay, Leiter der Abteilung für Verbrennungsvorrichtungen.

Im Vergleich zu anderen Methoden wie dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF) benötigt DED deutlich weniger Pulver und reduziert den Materialabfall erheblich.

„Es bietet das bisher größte Bauvolumen für Triebwerkshardware und kann Teile mit einer Höhe von drei Metern drucken. Dieses Bauvolumen ist viel größer als das, das mit Techniken wie dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren erreicht werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das DED-Verfahren eine um Größenordnungen geringere Investition in Pulver und weniger Materialabfall. Die Ingenieure können auch Legierungsmischungen und -übergänge in Echtzeit für Mehrfachlegierungen realisieren, um die Festigkeits-, Gewichts- und Leistungsvorteile von Superlegierungen der nächsten Generation zu nutzen”, sagte Urzay.

Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist die Möglichkeit, Legierungen in Echtzeit zu mischen und Übergänge zu schaffen, was die Nutzung von hochmodernen Superlegierungen und die Optimierung von Festigkeit, Gewicht und Leistung ermöglicht.

„Diese einzigartigen Fähigkeiten ermöglichen es uns, komplexe Triebwerkskonstruktionen in Angriff zu nehmen, die weniger Iterationen erfordern und die Formoptimierung, Leichtbauwerkstoffe, fortschrittliche Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe sowie eine schnelle Fertigung nutzen“, so Urzay.

Die Rocket Propulsion Division arbeitet eng mit der US-Raumfahrtindustrie zusammen, um diese additiven Fertigungsprozesse in robuste digitale Engineering-Umgebungen zu integrieren. Diese digitalen Umgebungen unterstützen den Übergang von traditionellen Fertigungsmethoden zu automatisierten Verfahren, die von Künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen, digitalen Zwillingen, 3D-Volumenscannern und computerunterstütztem Design (CAD) gespeist werden.

„Obwohl die additive Fertigung viele Möglichkeiten für eine beschleunigte Produktion zu niedrigeren Kosten bietet, gibt es noch einige Herausforderungen, die einer breiten Einführung dieser Technologie in der Raketenantriebsindustrie und in staatlichen Labors im Wege stehen“, sagte Edgar Felix, Luft- und Raumfahrtingenieur in der Abteilung für Verbrennungsvorrichtungen.

Das AFRL und seine Partner setzen ihre Arbeit an innovativen Techniken für den 3D-Druck fort, mit dem Ziel, die Kapazitäten sowohl für Flüssig- als auch Feststoffraketentriebwerke erheblich zu steigern.

„Dieser jüngste Durchbruch in der additiven Fertigung für Raketentriebwerke in unserer Branche ist einer in einer Reihe, die nur durch den Aufbau langfristiger Beziehungen zwischen mehreren Industriepartnern und Regierungsorganisationen, einschließlich des AFRL Materials and Manufacturing Directorate und des NASA Marshall Space Flight Center, möglich wurde“, sagte Urzay. „Ihre Arbeit ist äußerst wertvoll für die Nation, und gemeinsam sind wir ein unaufhaltsames Team.“