Nel campo della tecnologia aerospaziale, la corsa per sviluppare sistemi di propulsione in grado di alimentare veicoli a velocità ipersoniche non è mai stata così intensa. Il volo ipersonico, definito come velocità superiore a Mach 5, è ora alla nostra portata, grazie in gran parte alla fusione tra stampa 3D e materiali all’avanguardia.
In questo blog, approfondiamo un accattivante caso di studio in cui Velo3D, Lockheed Martin e Vibrant hanno collaborato con il LIFT Institute del Dipartimento della Difesa per aprire la strada a un approccio basato sui dati per la certificazione di materiali e metodi cruciali per i sistemi aerospaziali realizzati con la produzione additiva.
Dall'inizio del progetto fino agli intricati dettagli della scienza dei materiali, questa straordinaria partnership sta aprendo la strada a una nuova era dell'ingegneria aerospaziale.
L'urgenza del volo ipersonico
La domanda di progressi nelle applicazioni aerospaziali, in particolare nel settore della difesa, ha raggiunto il massimo storico. I concorrenti globali stanno cercando di sviluppare sistemi di propulsione in grado di alimentare aerosistemi a velocità supersoniche e ipersoniche, inaugurando una nuova era della tecnologia aerospaziale. Questo sforzo ha aperto la porta a metodi di produzione innovativi.
In prima linea in questa rivoluzione tecnologica c’è la stampa 3D.
Stampa 3D: trasformare la produzione aerospaziale
La stampa 3D è emersa come una tecnologia trasformativa nella produzione aerospaziale. Offre la possibilità di creare progetti di motori complessi e monopezzo che non solo sono più leggeri ma anche più veloci da produrre rispetto ai metodi di produzione tradizionali.
Inoltre, lo sviluppo dei materiali si sta evolvendo di pari passo con la stampa 3D, con particolare attenzione alla certificazione di leghe metalliche ad alte prestazioni appositamente studiate per i sistemi di produzione additiva (AM).
Il ruolo del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti
Sebbene la prototipazione rimanga essenziale per raggiungere gli obiettivi aerospaziali, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD) ha intrapreso un approccio globale all’AM, iniziando con un’analisi approfondita della scienza dei materiali e della produzione.
In questa ricerca, il Dipartimento della Difesa ha collaborato con LIFT, una collaborazione pubblico-privata senza scopo di lucro con sede a Detroit, nel Michigan. LIFT opera come attore chiave nell'American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute ed è in prima linea nel progresso della tecnologia dalla ricerca alla commercializzazione.
LIFT: un faro di innovazione
LIFT rappresenta un modello esemplare di partenariato pubblico-privato, che unisce gli interessi del Dipartimento della Difesa, dell’industria e del mondo accademico. Operando all'interno di una vasta struttura di 100,000 piedi quadrati, LIFT si dedica a adattare le tecnologie emergenti ad applicazioni commerciali. Tra la miriade di progetti, la “Hypersonics Challenge”, finanziata dal Manufacturing Technology Program del Dipartimento della Difesa, occupa un posto di rilievo. L'obiettivo della sfida è individuare materiali e processi di produzione che possano portare in modo efficiente a veicoli e missili con capacità di volo ipersonico.
Il direttore tecnico di LIFT, il dottor John Keogh, svolge un ruolo fondamentale in questo impegno, insieme alla dottoressa Amberlee Haselhuhn, direttore dei materiali e dell'ICME.
John Keogh, responsabile tecnico e project manager Brad Friend tengono in mano una sezione tagliata del ramjet stampato in 3D della LIFT Hypersonic Challenge. Il progetto è stato incentrato presso la struttura di 100,000 piedi quadrati dell'American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute a Detroit, nel Michigan. Immagine gentilmente concessa da LIFT.
La stampa 3D prende il volo: il progetto Ramjet
In uno sforzo rivoluzionario, LIFT, Lockheed Martin e Vibrant hanno unito le forze per intraprendere un viaggio per creare un Motore ramjet stampato in 3D. L'obiettivo principale del progetto era accertare quali dati potessero essere raccolti durante il processo di stampa della fusione laser a letto di polvere (LPBF) e come tali dati potessero essere utilizzati per certificare i componenti per il volo ipersonico. Questo approccio ha segnato un allontanamento dai tradizionali metodi statistici di validazione delle parti, concentrandosi invece su flussi di dati in tempo reale per la certificazione.
Il sistema LPBF scelto per il progetto ramjet è stato il Velo3D Sapphire 1 MZ, rinomata per la sua capacità di stampare oggetti fino a un metro di altezza.
Questo video mostra 15,247 strati di Inconel® 718, stampato su a Velo3D Sapphire Stampante 1MZ in soli 26 secondi come pezzo solido senza supporti e progettata per piccoli aerei che volano a velocità supersoniche.
Ogni Sapphire il sistema è dotato di centinaia di sensori, che forniscono dati completi in tempo reale durante il processo di stampa. La tecnologia di Velo3D non solo raccoglie grandi quantità di dati, ma vanta anche un involucro di costruzione impressionante, ideale per la produzione in serie.
Dai compiti in classe alla svolta nel settore aerospaziale
L'origine del design ramjet è una testimonianza dello spirito innovativo che guida l'ingegneria aerospaziale. Concepito come compito in classe da uno studente universitario di ingegneria aerospaziale presso la Purdue University, il progetto ramjet mirava a consolidare i componenti complessi del motore in un’unica struttura stampata in 3D.
Il progetto di Jay Blake prevedeva di incorporare la punta di ingresso di un statoreattore in un turbogetto, che fungesse da scambiatore di calore per migliorare l'efficienza della combustione del carburante. Il suo progetto per i compiti è stato ispirato dal turbogetto J-58 utilizzato sull'SR-71 Blackbird (che, a settembre 2023, detiene ancora il record del 1976 come l'aereo supersonico con equipaggio a respirazione d'aria più veloce, Mach 3.2). Anni dopo, questo progetto riemerse quando Blake iniziò a lavorare per Velo3D, portandolo a realizzare che la sua visione poteva diventare realtà.
Il creatore incontra la creazione: l'ex studente di ingegneria Jay Blake, ora membro del team di applicazioni aerospaziali di Velo3D, pulisce il ramjet dopo la stampa 3D. Ha ideato il suo design originale come parte di un incarico in un corso universitario. Immagine gentilmente concessa da Velo3D
Interesse e adattamento di Lockheed Martin
Lockheed Martin, un importante produttore aerospaziale e cliente Velo3D, ha mostrato un vivo interesse per il progetto ramjet stampato in 3D.
La tecnologia innovativa di North Star Imaging aiuta a convalidare le geometrie interne di una parte senza distruggerla. I loro servizi di ispezione a raggi X con tomografia computerizzata 3D (CT) utilizzano la tecnologia di ispezione a raggi X più avanzata per fornire l'immagine più chiara di una parte, dentro e fuori, eliminando virtualmente qualsiasi errore di valutazione. Le scansioni mostrate qui sono superficie solida, sezione e superficie interna.
Lockheed Martin ha lavorato in collaborazione con Velo3D e LIFT per supportare la ricerca del team nella fase di sviluppo dell'AM in metallo per usi specifici, insieme all'accuratezza dei materiali utilizzati per questo scopo. Il design di Blake, libero dalla geometria controllata da ITAR, è servito da esempio ideale per l'AM. Ciò ha consentito una valutazione completa della metallurgia, della struttura e del processo di stampa 3D senza i vincoli dell’ITAR e del controllo delle esportazioni.
Mentre il progetto iniziale era destinato ai motori supersonici, Lockheed Martin ne riconobbe il potenziale per l'adattamento a un motore scramjet, in grado di raggiungere velocità ipersoniche. Questa collaborazione ha posto le basi per valutare la maturità dell’AM in metallo per applicazioni mission-critical e per esaminare la fedeltà dei materiali.
Garanzia di qualità attraverso test di risonanza
Per valutare la qualità e l’integrità dei componenti ramjet stampati in 3D, il team ha utilizzato il test di risonanza compensata dal processo (PCRT) di Vibrant. PCRT utilizza frequenze ultrasoniche per eccitare le modalità vibrazionali di una parte, registrando frequenze di risonanza uniche basate sulla geometria e sulle proprietà del materiale. Questo approccio non distruttivo si è rivelato efficace nell'identificare crepe interne, porosità e difetti superficiali, offrendo preziose informazioni sulla qualità dei componenti.
Certificazione basata sui dati e prospettive future
Il successo del progetto Ramjet annuncia una nuova era nella certificazione della produzione additiva. I dati raccolti durante il processo di stampa fungono da rappresentazione oggettiva della qualità delle parti, aprendo la strada a modelli predittivi che collegano i dati post-costruzione con i flussi di dati.
Si prevede che le tecniche di apprendimento automatico e di fusione dei dati svolgeranno un ruolo fondamentale nel discernere le indicazioni di qualità, consentendo processi di certificazione più efficienti. Mentre il progetto entra nella fase successiva, il comportamento a fatica sarà un obiettivo chiave, con l’obiettivo finale di produrre componenti ipersonici “certificati dalla nascita”.
Un percorso verso componenti ipersonici “nati certificati”.
La collaborazione tra Velo3D, Lockheed Martin e Vibrant presso il LIFT Institute rappresenta un faro di innovazione nell'ingegneria aerospaziale. Sfruttando la potenza della stampa 3D, della certificazione basata sui dati e dei materiali all’avanguardia, questa partnership sta ampliando i confini di ciò che è possibile nel volo ipersonico.
Guardando al futuro, la prospettiva di componenti “nati certificati” e il continuo coinvolgimento di talenti universitari segnalano un futuro luminoso per la tecnologia aerospaziale.
Con il cielo come limite, possiamo aspettarci scoperte ancora più grandi all’orizzonte.
