La fabricación aditiva de metal mejora el rendimiento de los motores de cohetes críticos

Es un hecho que los satélites desempeñan un papel fundamental en nuestras vidas. No sólo proporcionan información sobre las nubes, los océanos, la tierra y el aire para predecir el tiempo y el clima. También son fundamentales para las comunicaciones diarias y mucho más. Pero ¿sabías que los satélites se hacen cada vez más pequeños? Hoy en día, los satélites son más baratos de producir porque son más ligeros que las versiones anteriores, lo que se traduce en menores costes de lanzamiento. En consecuencia, las empresas también trabajan para crear cohetes más pequeños y de menor coste para apoyarlos. Una de las empresas más destacadas en este ámbito es Launcher.

La startup californiana Launcher se fundó en 2017 para hacer frente a la creciente demanda de lanzamientos, que está superando a la oferta. De hecho, se espera que el mercado de lanzamiento de satélites crezca de 8.000 a 38.000 millones de dólares en 2030. La empresa combina la tecnología de propulsión líquida y la impresión 3D de metal para crear cohetes y vehículos de transferencia eficientes para poner en órbita pequeños satélites. Han desarrollado el motor de cohete de bajo coste Launcher Engine-2 (E2), optimizado para su producción en serie. ¿La meta? Crear el motor de cohete líquido de mayor rendimiento de su clase y ser el componente central de empuje del cohete ligero de Launcher. Y para realizar este innovador diseño, Launcher recurrió a la fabricación directa de Stratasys y a la tecnología de fabricación aditiva de metal de Velo3D.

Prueba del motor. (Créditos: Launcher/John Kraus Photography)

El motor de cohete líquido E-2 de Launcher

Como hemos mencionado, el motor de cohete líquido E-2 ha sido diseñado para formar parte de los cohetes de alto rendimiento de Launcher. El motor de 22.000 lbf (libras de fuerza), propulsado por LOX (oxígeno líquido)/RP-1 (queroseno), está considerado como el motor de mayor rendimiento del mundo para lanzamientos pequeños. Impreso en 3D con una aleación de cobre, tiene una eficacia de combustión del 98% y un rendimiento de 365s Isp. Además, gracias a su elevado equilibrio, el impulsor de la bomba LOX puede girar a 30.000 rpms en condiciones criogénicas, todo ello mientras transporta oxígeno líquido.

Sin embargo, el carácter innovador y de alto rendimiento del cohete E-2 hace que su fabricación no sea tan sencilla. La turbobomba, incluido su impulsor, es un reto al que hacer frente. Max Haot, fundador y director general de Launcher, explicó la dificultad del proyecto, señalando: “Si nos fijamos en cualquier motor de cohete líquido que pueda alcanzar la órbita, la turbobomba es una de las partes más difíciles del proyecto… o, como mínimo, la mitad del desafío. Y si hablamos de una turbobomba para una etapa de combustión de ciclo cerrado, ese nivel de desafío aumenta”.

Y aunque se eligió la fabricación aditiva de metal para el proyecto, los errores no se pueden permitir en este nivel de alto rendimiento. Haot comentó: “Quiero señalar lo significativo que es esto. Estamos tratando con oxígeno líquido y un impulsor que gira a 30.000 rpm para producir aproximadamente un megavatio de potencia de la turbina. En este tipo de entorno, a 4000psi de presión de descarga, cualquier anomalía, cualquier roce entre el rotor y el estator, puede dar lugar a un desmontaje inmediato, rápido e imprevisto”. Por lo tanto, las tecnologías innovadoras serían la clave.

Sección de la voluta de la bomba de oxígeno líquido que alimenta el motor E-2 (Créditos: Launcher)

Launcher recurrió a Stratasys Direct Manufacturing, que utilizó la solución Sapphire® de Velo3D para crear el impulsor inductor bien equilibrado. Este componente crítico acelera e impulsa el LOX hacia la cámara de combustión, creando un mayor flujo de fluido y más empuje para el cohete. El impulsor del E-2 se creó integrando dos piezas impresas en 3D por separado, un inductor y un impulsor, en un componente cohesionado y eficiente. El material elegido fue INCONEL 718, un material resistente a la corrosión con una buena compatibilidad con LOX y una excelente resistencia mecánica a temperaturas criogénicas.

¿Cómo se usó la fabricación aditiva de metal?

Si Launcher podía elegir cualquier tecnología, ¿por qué se decantó por la fabricación aditiva de metal de Velo3D? Este método tiene varias ventajas, especialmente en lo que respecta a la reducción de costes y la libertad de diseño. Sin embargo, no sirve cualquier solución. Para conseguir las propiedades necesarias, la pieza no se podía hacer con soportes internos o estando inclinada, lo que llevó a Stratasys Direct a optar por utilizar el sistema Velo3D Sapphire® gracias a su capacidad de imprimir piezas sin soportes.

Inclinar la pieza en la fabricación impediría al equipo tener un componente giratorio bien equilibrado, por lo que imprimir en plano era fundamental. Pero esto no sería posible con otras soluciones, ya que para evitar los soportes internos (que son necesarios en geometrías complejas para muchas soluciones de impresión 3D de metal), deben inclinar la pieza. Pero este no es el caso con el sistema Sapphire® de Velo3D.

La solución de Velo3D es única en fabricación aditiva por su libertad de diseño, encarnando el lema de la empresa “Imprime la pieza que quieres y necesitas, sin compromisos”. Esta libertad es el resultado de varios factores, incluyendo el hecho de que Velo3D ofrece una solución avanzada de metal totalmente integrada. Esto incluye su software de preparación de impresión Flow™ y el software Assure™ para la validación de la calidad. Además, es capaz de imprimir ángulos bajos de hasta cero grados. Esta última parte era especialmente importante para Launcher, ya que significaba que la pieza podía imprimirse en plano.

Las dos impresoras Sapphire de Launcher. (Créditos: Launcher)

Dado que tener que inclinar la pieza comprometería su calidad debido a la acumulación de tensiones durante la construcción, esto habría impedido la creación de un componente giratorio bien equilibrado. Según Stratasys Direct, con el sistema Velo3D fue posible imprimir los impulsores en la orientación ideal y evitar la necesidad de soportes internos que dañaran la pieza final. Andre Ivankovic, ingeniero mecánico de Launcher, explicó: “Al imprimir la pieza en plano, conseguimos una buena distribución simétrica de la masa de la pieza en relación con ese eje central de rotación”.

Los resultados finales

La pieza resultante tenía que pasar por un postratamiento y pasos de validación exhaustivos y personalizados antes de poder finalizarla. Para ello, Stratasys Direct mecanizó parcialmente el componente para eliminar todo el polvo de los canales internos antes de someterlo a tratamientos térmicos certificados. El siguiente paso fue confirmar que el impulsor cumplía los requisitos de densidad e integridad del material antes de los procesos térmicos.

La experiencia en impresión 3D de Stratasys Direct y el riguroso posprocesamiento secundario con la capacidad de Velo3D de imprimir sin soportes, garantizó una construcción exitosa de una pieza altamente compleja y funcional. Y las pruebas realizadas hasta ahora han sido un éxito. De hecho, recientemente Launcher probó con éxito la turbobomba del motor E-2 para la Fuerza Espacial de los Estados Unidos en una campaña en el Centro Espacial Stennis de la NASA. Allí, el equipo de pruebas del E-2 fue capaz de alcanzar o superar todos los objetivos de potencia, presión de entrada y salida, eficiencia y vibración en el transcurso de 11 pruebas. Puedes encontrar más información sobre cómo se fabricó el E-2 utilizando la solución Sapphire® de Velo3D AQUÍ.

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*Créditos foto de portada: Launcher