I maj 2023 blev der sat ny rekord for antal mennesker i rummet på samme tid – der var hele 20 mennesker i omløb om Jorden. Blandt de mange rummissioner, der har fundet sted i år, var virksomheden Virgin Galactics første kommercielle suborbitale rummission Galactic 01m og samtidig gør SpaceX klar til deres første kommercielle rumvandring. Menneskeheden bevæger sig længere og længere ud i rummet med alt lige fra rumturisme til innovativ raketvidenskab. Men hvad ved vi egentlig om de værktøjer, der er bruges til bearbejdning af det tekniske udstyr til rumforskning? Her afslører William Durow, Global Engineering Project Manager inden for området Aerospace, Space & Defence hos Sandvik Coromant, hvad man skal have fokus på ved spåntagende bearbejdning af metalkomponenter til brug i det ydre rum.

Vi har set menneskeheden tage flere gigantiske skridt inden for de seneste år. ESA's mission JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) blev opsendt i april 2023, og det er planen, at den skal ankomme til det jovianske system i 2030. Her skal ESA's explorer observere Jupiters tre måner i en periode på 3½ år. SpaceX har også planlagt omkring 100 opsendelser i år, og NASA's OSIRIS-Rex er i september 2023 vendt tilbage til Jorden. Og det er bare et par af de seneste, nuværende og fremtidige projekter, der skal give os mere viden om vores galakse. 

Det kræver mange overvejelser at sikre succes, når kan begiver sig ud blandt stjernerne. Uanset om det er nøje missionsplanlægning, omhyggelige simulationer, kvalificerede missionsledere eller effektiv beredskabsplanlægning, så kræver en vellykket rumrejse grundig planlægning, forberedelse og udførelse. Derudover skal de materialer, der bruges til rumfartøjer og -stationer, kunne modstå nogle af de mest ekstreme forhold, man kan forestille sig – f.eks. vakuum, stråling, store temperaturudsving og kollision med mikrometeoritter.

Krævende materialer

Når man skal bygge noget, der skal bruges i rummet, kræver det en række overvejelser vedrørende materialer for at garantere sikkerhed, ydeevne og funktionalitet under ekstreme forhold. Strukturelt skal materialerne kunne modstå det høje tryk og de store belastninger, der opstår ved opsendelse og under flyvning. Rumfartøjer udsættes også for intens varme, når de igen trænger ind i Jordens atmosfære, og derfor skal de udvendige materialer forhindre fartøjet i at brænde op, mens andre komponenter, såsom raketdyser, også skal være fremstillet af varmebestandige materialer. 

Vægten er også noget, der skal være med i overvejelserne, især for elementer som brændstoftanke til raketter, hvor en lettere tank bedre kan modstå strukturelle belastninger og dermed give en større nyttelastkapacitet. Jo mere selve raketten vejer, jo mindre er nyttelastkapaciteten, bl.a. til satellitter, videnskabelige instrumenter og besætning, som den skal have med ud i rummet. Med lettere tanke kan en større del af rakettens samlede vægt allokeres til nyttelast, og det maksimerer missionens kapacitet.

Populære materialer til disse applikationer er blandt andet varmebestandige superlegeringer (HRSA). Det er en fordel at bruge disse materialer til rumfartøjer på grund af deres enestående evne til at modstå ekstremt krævende forhold. Men deres særlige egenskaber giver også problemer med bearbejdningen. 

Varmebestandige superlegeringer (HRSA) er udviklet til at modstå ekstreme temperaturer, mekaniske belastninger og korrosive miljøer, og de anvendes primært til applikationer, hvor konventionelle materialer ikke kan bruges på grund af deres begrænsninger under ekstreme forhold. Disse superlegeringer kan bevare deres mekaniske egenskaber og strukturelle integritet ved meget høje temperaturer, ofte over 1.000 °C (1.832 °F), og de har fremragende modstandsevne over for krybning og god termisk stabilitet, og de bruges derfor til komponenter som turbineblade, udstødningsdyser og forbrændingskamre.

Men varmebestandige superlegeringer har også deres begrænsninger – især med hensyn til bearbejdning. Disse materialer er metallurgisk sammensat, så de bevarer deres egenskaber, når de udsættes for ekstreme temperaturer, men det betyder også, at bearbejdningen genererer høje belastninger. De nikkelbaserede superlegeringers unikke evne til at fungere tæt på deres smeltepunkt gør, at de generelt er meget svære at bearbejde.

Titan er et andet vigtigt materiale, der bruges til rumkomponenter. Titan er et let metal med en massefylde på cirka det halve af stål, og det er med til at reducere rumfartøjernes samlede vægt, hvilket igen giver bedre brændstofeffektivitet og nyttelastkapacitet. Titan er også meget korrosionsbestandigt og har fremragende modstandsdygtighed over for atomar ilt, og det er derfor ideelt til applikationer i lavt kredsløb om Jorden, hvor metallets oxidlag kan beskytte rumfartøjet mod denne meget reaktive form for ilt. 

Men disse fordele gør også titan svært at bearbejde. Skærende værktøjer skal være skarpe, bevare deres skærkant og være utroligt slidstærke for at modstå materialets høje styrke, men titan har også en lav varmeledningsevne sammenlignet med metal som stål eller rustfrit stål, og det kan medføre varmeakkumulering under bearbejdningen og dermed hurtigt værktøjsslid. 

Overvejelser om bearbejdning 

Bearbejdning af varmebestandige superlegeringer kræver specialiserede værktøjer og teknikker – så hvad skal rumfartsingeniørerbe have fokus på? For det første skal de tænke over, hvilket materiale de skærende værktøjer er lavet af. Hårdmetal er det foretrukne materiale, men der findes også andre materialer såsom keramik til skrubbearbejdning og kubisk bornitrid (CBN) til sletbearbejdning af HRSA og polykrystallinsk diamant (PCD) til sletbearbejdning af titanlegeringer. Det er også vigtigt at tænke på værktøjsbelægninger og -geometrier. Disse materialer har tendens til forskydningsdeformation, og derfor er en skarpere geometri typisk en bedre løsning for at undgå at generere varme ved bearbejdning. Tynde, seje belægninger er den foretrukne løsning. PVD (fysisk pådampning) er generelt førstevalget til HRSA-materialer, men til drejning af titan er ubelagte kvaliteter førstevalget.

Sammenlignet med konventionelle materialer bearbejdes de varmebestandige superlegeringer typisk med lavere skærehastighed (o/min.) for at undgå kraftig varmeakkumulation og stråleslid. Justering af tilspændingshastigheden og skæredybde er også afgørende for at opretholde effektiv bearbejdning. Den rette kølestrategi er også afgørende på grund af den mængde varme, som de varmebestandige superlegeringer og titan genererer ved bearbejdning. Højtrykskøling anvendes ofte for at sikre bedre spånbrydning og for at lede den overskydende varme væk. Producenterne ønsker også at prioritere overvågning af værktøjsslid for at kunne forudsige værktøjsbrud og reducere risikoen for skærbrud, som potentielt kan beskadige en dyr komponent. 

Som metode til bearbejdning af rumfartsdele anbefaler Sandvik Coromant kantfræsning med høj tilspænding. Denne teknik omfatter et lille radialt indgreb i emnet, som gør det muligt at anvende højere skærehastighed og tilspænding samt større aksial spåndybde, hvilket giver mindre varmeudvikling og lavere radiale kræfter. For at understøtte denne metode har Sandvik Coromant udviklet CoroMill® Plura HFS til kantfræsning med høj tilspænding. Denne serie omfatter en række pindfræsere med unikke geometrier og kvaliteter og består af to typer pindfræsere. Den ene type er optimeret til titanlegeringer, og den anden til nikkellegeringer.

Unikke krav

Titan og varmebestandige superlegeringer er vigtige materialer i rumkapløbet, men eksperterne udvikler også hele tiden deres egne materialer. I et forsøg på at nå til nye højder i rummet før konkurrenterne udvikler de fleste organisationer inden for dette område også deres egne unikke blanding af materialer for at opnå en konkurrencemæssig fordel.

Indholdet af disse materialer hemmeligholdes ofte – det kan være titanlegeringer, ablative materialer, kulstof-kulstof-kompositmaterialer eller noget helt andet. Det er kun rumfartsingeniørerne selv, der kender hemmeligheden bag materialeblandingen, og så deres leverandør af værktøjsmaskiner.

Sandvik Coromant har opnået ekspertise inden for rumforskning fra hele kloden, og vi har flere dedikerede R&D-teams, der har til opgave at rådgive kunderne, så de kan vælge de bedste værktøjer og teknikker til opgaven. Når en kunde kontakter Sandvik Coromant, vil teamet arbejde sammen med dem for at finde den bearbejdningsløsning, der bedst opfylder deres materialebehov. Det kan omfatte test på et sikkert sted, rådgivning om valg af værktøj og bearbejdningsmetoder. 

Der er meget på spil, når man udvikler komponenter, der skal bruges i det ydre rum. Selv den mindste kvalitetsmangel kan stoppe missionen, så den ikke når ud i rummet, og derfor skal man være meget opmærksom på hvert eneste trin i fremstillingsprocessen. Det omfatter også de materialer, der vælges til hver komponent, og bearbejdningsmetoden. For at få succes blandt stjernerne er det vigtigt, at producenterne vælger en løsning med balance mellem seje materialer og de bearbejdningsproblemer, de medfører. At have adgang til den rette viden om bearbejdning og robuste værktøjer er afgørende for at kunne tage det næste store skridt.