CÔNG TY AEROJET ROCKETDYNE CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ IN 3D TRONG ĐỘNG CƠ TÊN LỬA.

Theo Michael Molitch-Hou

Khi công nghệ in 3D (AM) được sáp nhập vào hệ sinh thái sản xuất rộng lớn hơn, công nghệ này phải tự chứng minh khả năng giải quyết những vấn đề quan trọng. Nhiều năm qua, Aerojet Rocketdyne đã chứng minh rằng các chi tiết được in bằng công nghệ 3D có thể chịu đựng được những môi trường hiệu suất cao của động cơ tên lửa.

Thời gian gần đây, công ty hàng đầu về vũ trụ hàng không và quân sự này đã thử nghiệm thành công việc in 3D toàn bộ một bộ lắp ráp bằng đồng RL10. Đây là tiềm lực thúc đẩy cho việc phát triển tên lửa di sản RL10 của công ty cho một số sứ mệnh không gian quan trọng. Tuy nhiên, thành phần này là thành phần mới nhất trong một loạt các chi tiết tên lửa đã được in 3D từ công ty, có khả năng điều này sẽ làm thay đổi cách các chi tiết quan trọng như thế được chế tạo sau này.

Để hiểu thêm về câu chuyện này, ENGINEERING.com đã có buổi nói chuyện với Jay Littles, giám đốc bộ phận máy động cơ phản lực hiện đại tại Aerojet Rocketdyne.

Động cơ RL10

Tên lửa RL10 đã được đưa vào phục vụ từ năm 1963, gởi rất nhiều tàu vũ trụ vào quỹ đạo, bao gồm News Horizons và Voyager 1, con tàu vũ trụ đầu tiên chạm đến không gian liên sao.

Là một sản phẩm kế thừa quan trọng, công ty này đã cố gắng đưa công nghệ AM vào phương trình sản xuất nhằm cắt giảm chi phí.

Mô hình hiện tại của RL10C-1 mang đặc trưng là một dãy phức tạp các ống thép không gỉ được thực hiện bởi phương pháp hydroforming được mạ đồng thau với nhau để tạo ra các buồng phóng. Aerojet Rocketdyne có thể cải tiến thiết kế này bằng cách củng cố các chi tiết thành hai thành phần bằng đồng, sau đó được in 3D bằng phương pháp nung chảy bằng nhiệt laser (SLM).

Những ống này đã được thay thế bằng một loạt các kênh được thiết kế thành các chi tiết đồng lớn hơn. Kết quả, số lượng chi tiết đã giảm được hơn 90%. Cả hệ thống được in chỉ trong thời gian chưa đầy một tháng, cắt giảm thời gian sản xuất chính đi vài tháng. Sau khi hoàn thành, buồng lái đã trải qua một cuộc kiểm tra đốt cháy nóng thành công. Theo như Aerojet Rocketdyne biết, đây là chi tiết bằng đồng được in 3D lớn nhất và đã trải qua thử nghiệm đốt cháy thành công.

Littles giải thích rằng hợp kim đồng đóng một vai trò trong hiệu quả thiết kế tổng thể của hệ thống. Buồng phóng là một chi tiết của động cơ thực hiện chu kỳ giãn nở, cho thấy dòng nhiên liệu lỏng thông qua các kênh của buồng này – trước đây được làm bằng các ống thép – góp nhặt nhiệt khi quá trình đốt cháy diễn ra trong buồng và trở thành khí để nạp năng lượng cho tua-bin động cơ. Quá trình này được thực hiện hiệu quả hơn nhiều khi sử dụng vật liệu dẫn điện cao như đồng.

“Từ việc sử dụng các ống thép và buồng lớn hơn rất nhiều, chúng tôi chuyển sang sử dụng buồng ngắn hơn được tạo ra từ đồng,” Littles nói. “Chúng tôi có thể vận dụng những chức năng thiết kế dùng AM thú vị, cho phép lấy đủ năng lượng khỏi buồng để chạy chu kỳ sản xuất theo cách chúng ta đã làm.”

“RL10 đã được đưa vào phục vụ từ rất lâu, đó là một lịch sử thành công kéo dài của hãng, vậy nên khi quyết định tiến hành đưa một công nghệ mới như AM vào một sản phẩm mang tính di sản như vậy, chúng tôi gặp rất nhiều áp lực khi phải đảm bảo rằng mình sẽ không làm bất cứ điều gì ảnh hưởng đến tính ổn định của cả hệ thống,” Littles cho biết.

“Chúng tôi đã thực hiện quá trình tối ưu hóa quy trình và đặc tính vật liệu, phát triển các đường cong thiết kế mới trực tiếp kết hợp với các vật liệu phụ gia và thử nghiệm chi tiết phụ và đảm bảo rằng chúng tôi có các quy trình kiểm tra đúng đắn. Vấn đề lớn lao cần nhấn mạnh ở đây là việc đảm bảo rằng chúng tôi không gây ảnh hưởng đến sự ổn định hệ thống.”

Công trình này thực sự là một phần lớn cho công việc cơ bản mà công ty đã thực hiện với AM. Với điều này, RL10 là đỉnh cao của trải nghiệm in 3D, tính cho đến nay.

Khám phá công nghệ in 3D

Littles nhận ra rằng công ty đã làm việc với AM trước khi Aerojet Rocketdyne có được như thời điểm hiện tại, và trước khi Pratt & Whitney Rocketdyne được mua lại.

Khoảng 6 hoặc 7 năm trước, trong những ngày đầu của SLM, nhóm nghiên cứu tại Pratt & Whitney Rocketdyne đã khám phá ra việc sử dụng các công nghệ để xây dựng tên lửa có giá cả phải chăng hơn vì nó áp dụng cho hai loại động cơ khác nhau: động cơ có hiệu suất cực cao, giống như động cơ tăng áp AR1 hiện đang được phát triển, và động cơ có giá phải chăng hơn, giống như tên lửa F1 với lò khí nóng được sử dụng trong chương trình Apollo.

Để xác định làm thế nào AM có thể ảnh hưởng đến chi phí của một động cơ, công ty đã thiết kế một phiên bản 3D cho phương pháp phun với lò khí nóng F1, phương pháp này vốn đòi hỏi hàng chục chi tiết và phải mất một hoặc hai năm để thực hiện.

Littles nói, giải thích rằng thiết kế đã được in bởi một nhà cung cấp ngoài. “Có rất nhiều người trong nội bộ vui mừng bởi vì chúng tôi có thể thực hiện những thứ đơn giản như việc sản xuất từng chi tiết riêng lẻ thay vì phải chế tạo một thứ phức tạp có nhiều chi tiết nhỏ vốn phải mất nhiều thời gian để thực hiện”

Littles chỉ ra rằng, mặc dù họ đã có thể tạo ra một chi tiết như vậy, vẫn có một số phần rất quan trọng bị thiếu hụt. “Khi chúng tôi thực hiện chi tiết đó, chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi đã vô tình phá hoại một điều gì khác vì chúng tôi đã làm một cái gì đó giống như một máy phun lò khí nóng F1, một chi tiết rất phức tạp hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Nhưng chúng tôi thực sự không có ý tưởng làm thế nào để thứ này hoạt động. Chúng tôi không biết gì về tài sản vật chất, sự đông cứng hoặc các hiệu ứng bề mặt hoặc làm thế nào cái chi tiết này sẽ hoạt động trong môi trường thực tế này. “

Vào thời điểm đó, nhóm nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu bổ sung vào các phần còn thiếu sót, thực hiện các đặc tính vật liệu và tối ưu hóa quy trình. Qua nhiều năm, công ty đã có thể giải quyết các chi tiết này theo cách xây dựng các tiêu chuẩn để tiếp cận các dự án AM mới. Vì lý do này, Aerojet Rocketdyne gần đây đã bắt đầu báo cáo nhiều vụ cháy thử nghiệm cho các thành phần tên lửa được in bằng 3D.

“Chúng tôi có các quy tắc thiết kế và sổ tay thiết kế thông báo những gì chúng tôi có thể và không thể làm với quá trình SLM,” Littles nói. “Chúng tôi đã thực hiện các cuộc trình diễn hình học thành phần, nhưng chúng tôi cũng thực sự đang ở thời điểm mà hiện tại, một số hệ thống vật liệu chúng tôi đang làm việc đã đủ cho tiến trình công nghệ sẵn sàng để chúng tôi tiến hành việc xác nhận hệ thống và cả quá trình sản xuất với một số chi tiết.”

Các bộ phận máy bay phản lực in 3D

Vì RL10 là sản phẩm mang tính kế thừa, nên chứng tỏ được chất lượng và độ tin cậy của quá trình AM, Aerojet Rocketdyne cũng là bộ phận in 3D chứng minh các lợi ích quan trọng khác của AM đối với sản xuất động cơ tên lửa. Năm 2013, công ty đã thực hiện thành công các thử nghiệm trên một bộ lắp ráp phun cho tên lửa bằng phương pháp hydro lỏng hoặc khí, tiếp nối sau đó là sự thành công của các thử nghiệm trên động cơ trình diễn Bantam vào năm 2014 và động cơ AR1 vào năm 2015.

Đối với Bantam, động cơ bao gồm 3 chi tiết in 3D: bộ phun và lắp ráp mái vòm, buồng đốt, và phần cổ lò và vòi phun. Việc sử dụng AM theo cách này cho phép giảm chi phí khoảng 65%. Đồng thời, tổng thời gian thiết kế và sản xuất đã được cắt giảm từ hơn 1 năm xuống chỉ còn vài tháng.

Về cách tiếp cận động cơ của dòng Bantam, Littles nói: “So với RL10, họ máy móc Bantam cởi mở hơn một chút. Đó là một họ rộng lớn hơn, và chúng tôi đang làm nhiều thứ để thay đổi thiết kế. Có một chút linh hoạt hơn trong những gì chúng tôi có thể làm từ quan điểm sáng tạo trong quá trình phát triển họ Bantam mà chúng tôi đang làm việc từ bây giờ.”

Trong khi họ Bantam đã cho phép Littles và đội của ông sáng tạo hơn trong quá trình thiết kế, AR10 sẽ cho phép Aerojet Rocketdyne rút ngắn chu kỳ thiết kế. Đây là điểm mấu chốt vì công ty cần bàn giao sản phẩm vào năm 2019. Việc phân phối thành công động cơ sẽ giúp đáp ứng được yêu cầu của Đạo luật Ủy quyền Quốc phòng năm 2015, trong đó yêu cầu thay thế chiếc RD-180 do Nga chế tạo bởi một chiếc khác do Mỹ thực hiện cho không gian an ninh quốc gia ra mắt vào năm 2019.

“Với AM, chúng tôi có thể tạo ra các bộ phận và đưa chúng vào các cuộc kiểm tra rất nhanh”, Littles nói về AR10. Thay vì chỉ thực hiện phân tích một số thiết kế khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất, chúng ta có thể thử nghiệm và có dữ liệu thực nghiệm để có thể cầm chắc trong tay các mô hình và rút ngắn chu trình thiết kế nhiều hơn so với trước đây.”

Từ nghiên cứu ban đầu của công ty về AM, Aerojet Rocketdyne đã có thể thiết lập một chương trình trở nên dễ dàng hơn để chuyển đổi kiến thức về công nghệ từ một động cơ này sang động khác.

Littles nói: “Giống như bắt đầu một công trình nghệ thuật. Chúng tôi đã làm một số phân tích kỹ thuật và tính toán để vạch ra lối đi cho những công việc ban đầu. Chúng tôi bắt đầu sử dụng những thứ như tính toán liên quan đến các loại năng lượng để đưa ra dự đoán. Có rất nhiều biến số trong quá trình. Không chỉ là sức mạnh của laser, mà còn là chiến lược scan, cách rà soát laser xung quanh và các yêu cầu hình thức. Có rất nhiều các biến số như vậy. “

Gần đây, công ty đã dựa vào phần mềm thông qua một dự án riêng biệt cho phép nhóm của Littles tối ưu hóa các thông số in 3D để phân tích các bộ phận một cách hiệu quả hơn và theo phương pháp lặp. Đồng thời, công ty đang phát triển chuyên môn về miền để có thể áp dụng AM vào thiết kế chi tiết khi thuận lợi.

“Chúng tôi hiểu rõ các loại thành phần và hệ thống hoặc các hệ thống con đem lại cho chúng tôi nhiều lợi ích nhất,” Littles nói, “lấy các chi tiết lắp ráp phức tạp của bộ phận và biến chúng thành một hoặc hai phần. Cắt giảm số lượng chi tiết và giảm sức lao động, nhờ vậy chúng ta sẽ biết được các dòng chi tiết mang lại những lợi ích lớn. “

Mặc dù chưa có chi tiết nào của tên lửa được đưa vào bay thực tế, nhưng Aerojet Rocketdyne có các bộ phận sản xuất nằm trong các giai đoạn chuẩn bị sẽ có mặt trên các hệ thống bay. Quy trình đánh giá cho các chi tiết như vậy rõ ràng đòi hỏi một thời gian dài nhưng rất quan trọng đối với các hệ thống cần thiết cho việc đưa tên lửa vào không gian. Nói đến chế tạo động cơ tên lửa, mọi cơ hội để giảm chi phí, lịch trình sản xuất và lao động chân tay sẽ giúp ích.

Nguồn: Engineering.com

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH) được thành lập năm 2014. Đến năm 2018, chúng tôi vinh dự trở thành Smart Expert Partner – đối tác hàng đầu của Siemens Digital Industries Software tại Khu Vực Đông Nam Á – Thái Bình Dương cho các giải pháp Siemens NX (Unigraphics NX), Simcenter, Solid Edge, Tecnomatix và giải pháp quản lý Teamcenter.

Quý doanh nghiệp, khách hàng có nhu cầu liên hệ SDE TECH theo thông tin sau: