La NASA fait progresser la fabrication de nouveaux alliages et la mise à l’échelle des additifs métalliques

La NASA fait progresser la fabrication de nouveaux alliages et la mise à l’échelle des additifs métalliques

Paul Gradl, du Marshall Space Flight Center de la NASA, s’exprimera lors du prochain sommet de l’industrie en ligne AMS de 3DPrint.com (9-10 février 2021). Inscrivez-vous ici.

La fabrication d’additifs (AM) a permis d’ouvrir de nouvelles et importantes possibilités de conception et de fabrication de composants de moteurs-fusées présentant des caractéristiques internes complexes et des parois minces. Une grande partie du développement de la fabrication d’additifs a été axée sur des alliages existants ou monolithiques, qui ne permettent pas une optimisation complète de la structure pour l’application. Le succès récent du dépôt d’énergie dirigé (DED) à la NASA démontre les retombées prometteuses des économies de coûts et des réductions de calendrier en matière d’AM, ainsi que l’optimisation des performances en termes de réduction de poids et d’augmentation des marges.

Chambre L-PBF GRCop-42 avec polissage de surface externe (à gauche) et non polie (à droite).

La NASA a montré des succès en utilisant la fabrication d’additifs bimétalliques à l’aide d’une chambre de combustion de moteur de fusée à alliage de cuivre liquide GRCop-84 par fusion de lit de poudre au laser (L-PBF) avec une enveloppe structurelle en Inconel 625 à forme libre par faisceau d’électrons AM dans le cadre du projet LCUSP (Low Cost Upper Stage Propulsion). Ce dernier a été testé avec succès en 2018 au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, et a été perfectionné grâce à un partenariat avec l’industrie pour faire mûrir les chambres de combustion bimétalliques. Des enquêtes supplémentaires ont continué à commercialiser le GRCop-84 AM et ont depuis fait progresser le développement et la chaîne d’approvisionnement du GRCop-42. Les alliages de cuivre de la famille GRCop ont accumulé plus de 30 000 secondes d’essais de feu à chaud utilisant divers propulseurs dans le cadre de multiples projets de la NASA, y compris les concepts de futurs alunisseurs. Les alliages GRCop, développés au Glenn Research Center de la NASA à Cleveland, Ohio, sont un alliage de cuivre-chrome-niobium à haute résistance et haute conductivité utilisé dans une chambre de combustion de fusée à haute performance.

Chambre bimétallique couplée de 7k utilisant le L-PBF GRCop-42 avec la buse intégrée LP-DED de la NASA HR-1 (à droite : complète avec les collecteurs).

Parallèlement au travail avec les chambres GRCop-84 et GRC-42, les essais de buses à canal intégral AM fabriquées avec un superalliage à base de Fe-Ni à haute résistance (NASA HR-1) indiquent que ce matériau pourrait être utilisé dans des environnements à hydrogène à haute pression. La NASA HR-1 est facilement imprimable grâce aux procédés L-PBF et de dépôt de poudre laser à énergie dirigée (LP-DED). Grâce au traitement thermique, il est possible d’obtenir une microstructure souhaitable pour les matériaux DED et L-PBF. La NASA travaille actuellement à la caractérisation de la microstructure et du matériau ainsi qu’aux propriétés du matériau pour l’alliage NASA HR-1. Une grande partie de ces travaux est réalisée dans le cadre du projet RAMPT (Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology) de la Direction des missions spatiales et technologiques (STMD) de la NASA, qui fait partie du programme de développement de la STMD intitulé « Game Changing Development Program ». Le projet RAMPT a déjà fait état de l’impression réussie d’une buse à canal intégral à grande échelle de 40 pouces (1,016 mètre) de diamètre et de 38 pouces (0,965 mètre) de long. La NASA a récemment effectué avec succès des essais de tir à chaud en utilisant l’alliage HR-1 de la NASA et le procédé LP-DED et d’un canal intégral qui, à ce jour, a accumulé plus de 40 démarrages et 500 secondes avec des performances élevées.

Chambre bimétallique de 40k fabriquée à l’aide d’un revêtement L-PBF GRCop-42 et d’une gaine LP-DED NASA HR-1 (RPM Innovations / NASA)

L’équipe RAMPT – grâce à un partenariat avec le bureau des moteurs liquides du Space Launch System (SLS) de la NASA Marshall et à un partenariat public-privé avec l’université Auburn en Alabama – a réussi à imprimer une buse à paroi de canal encore plus grande en utilisant la même technologie LP-DED. Avec un diamètre de 60 pouces (1,524 mètres) et une longueur de 72 pouces (1,828 mètres), la tuyère est à l’échelle de 65 % des tuyères du moteur RS-25 de la fusée SLS. La tuyère a été imprimée en 90 jours à RPM Innovations de Rapid City, dans le Dakota du Sud. Ce procédé AM pourrait réduire le nombre de pièces de la tuyère de plus de 1 100 à moins de 10. Ce procédé innovant permet un progrès technologique rapide grâce à des évaluations de conception et de construction de prototypes presque à l’échelle réelle. L’équipe a rapidement fait progresser la technologie jusqu’à ce démonstrateur à grande échelle en moins de cinq mois, validant l’impression de caractéristiques clés telles que les canaux de refroidissement intégrés et les parois minces tout en minimisant la distorsion.

Buse à canal intégral de 60″ de diamètre et 72″ de longueur, fabriquée à 65 % à l’échelle RS-25 avec l’alliage LP-DED NASA HR-1 (RPM Innovations / NASA)

En élargissant les avantages des tuyères et des chambres AM, le projet RAMPT a fait évoluer ces technologies pour intégrer les procédés AM afin de permettre la fabrication de composants bimétalliques et multi-alliages intégrés. La NASA étudie la possibilité d’appliquer le procédé LP-DED d’une buse HR-1 refroidie par canal directement sur une chambre L-PBF GRCop-42 afin d’éliminer le joint boulonné. La caractérisation des matériaux, les essais et les tests de feu à chaud pour ces techniques sont en cours. En plus de ces développements de fabrication primaire, les efforts de modélisation complètent le développement des processus AM pour simuler les processus AM afin de réduire les défaillances et les distorsions de construction.

Long Life Additive Manufacturing Assembly (LLAMA) Test au feu chaud de la buse L-PBF GRCop-42 et LP-DED NASA HR-1, 50 démarrages et 1 000 secondes (01-27-2021)

La NASA poursuit la mise au point du processus AM, la caractérisation et les essais des matériaux, ainsi que les essais de feu à chaud, pour démontrer que les alliages GRCop-42 et GRCop-84 conviennent à l’utilisation dans les chambres de combustion des fusées et le HR-1 de la NASA pour les tuyères et autres composants. L’équipe de la NASA est fortement engagée pour faire progresser la chaîne d’approvisionnement industrielle de ces matériaux et procédés et travaille avec de nombreuses sociétés spatiales commerciales par le biais d’accords de la loi sur l’espace et de la publication de données et de rapports techniques. L’objectif est que ces matériaux et procédés soient utilisés dans de futures missions spatiales commerciales et de la NASA pour explorer la Lune et Mars.

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