I mai 2023 ble det satt ny rekord for antall personer i verdensrommet, med 20 personer i bane samtidig. Blant de mange romfartsekspedisjonene som har funnet sted dette året, markerte Virgin Galactics 01 selskapets første kommersielle suborbitale flygning i rommet, og SpaceX har forberedt sin første romvandring. Romfartsturisme og innovasjoner innen romraketter fører mennesket lengre ut i rommet. Men hvor mye vet vi om verktøyene som brukes? William Durow, Global Engineering Project Manager for Space, Defense and Aerospace hos Sandvik Coromant, ser i denne artikkelen på metallbearbeidingen som kreves for reiser til verdensrommet.

De siste årene har vi sett flere store skritt for menneskeheten. Den europeiske romfartsorganisasjonens JUpiter ICy moons Explorer-ekspedisjon (JUICE) ble skutt opp i april 2023, og skal etter planen ankomme det jovianske systemet i 2030. Deretter skal den bruke tre og et halvt år på å observere Jupiters tre måner. SpaceX har også planlagt rundt 100 oppskytinger dette året, og NASAs OSIRIS-Rex kom tilbake til jorden i september 2023. Dette er bare en håndfull av de nylige, nåværende og fremtidige prosjektene som hjelper oss å finne ut mer om galaksen vår. 

Suksess ute blant stjernene krever mange spesielle hensyn. Vellykkede romfartsekspedisjoner krever nøye planlegging, forberedelser og utførelse, enten det er snakk om grundig planlegging av ekspedisjonene, nitid simulering, kvalifiserte ekspedisjonsledere eller effektive beredskapsplaner. I tillegg må materialene som brukes ute i rommet tåle noen av de mest ekstreme forholdene man kan tenke seg – som vakuum, stråling, temperatursvingninger og sammenstøt med mikrometeoritter.

Robuste materialer

Alt som bygges for verdensrommet, krever omfattende vurdering av materialene for å sikre sikkerheten, ytelsen og funksjonaliteten under ekstreme forhold. Strukturelt må materialene kunne motstå det høye trykket og belastningene som oppstår under oppskyting og flygning. Romfartøy utsettes også for svært sterk varme når fartøyet kommer inn i jordens atmosfære igjen, og de utvendige materialene må hindre at fartøyet brenner opp. Andre komponenter, som rakettdyser, må også fremstilles av varmebestandige materialer. 

Vekt er også viktig, spesielt for komponenter som for eksempel drivstofftankene, der en lettere tank er bedre i stand til å motstå strukturelle belastninger og kan bidra til større lastekapasitet. Jo mer selve raketten veier, desto mindre last kan den ta med til verdensrommet, som satellitter, vitenskapelige instrumenter og mannskap. Lettere tanker gjør at en større del av rakettens totalvekt kan brukes til last som bidrar til formålet med ekspedisjonen.

Blant materialene som brukes til disse formålene er varmebestandige superlegeringer (HRSA). Disse materialene har en eksepsjonell evne til å tåle krevende forhold, noe som gjør dem egnet for romfart. Materialenes hardførhet gjør det imidlertid utfordrende å maskinbearbeide dem.  

HRSA-materialer er designet for å motstå ekstreme temperaturer, mekanisk belastning og etsende miljøer, og brukes hovedsakelig i områder der konvensjonelle materialer ville sviktet på grunn av begrenset evne til å tåle ekstreme forhold. HRSA-materialer er i stand til å opprettholde sine mekaniske egenskaper og strukturelle integritet i svært høye temperaturer, som ofte overstiger 1000 °C. Materialene har utmerket krypefasthet og temperaturstabilitet, og brukes i komponenter som turbinblader, eksosdyser og forbrenningskamre.

Men HRSA-materialer har også sine begrensninger – spesielt med tanke på maskinbearbeiding. Den metallurgiske sammensetningen er utviklet for å opprettholde materialenes egenskaper når de eksponeres for ekstreme temperaturer, noe som betyr at det oppstår høy belastning når materialene bearbeides. Disse nikkelbaserte superlegeringene har en unik evne til å fungere nær smeltepunktet, noe som også gjør dem vanskelige å maskinbearbeide.

Et annet viktig materiale i romfartskomponenter er titan. Dette lette metallet har omtrent halvparten av tettheten til stål, og bidrar til å redusere romfartøyets totalvekt. Dette gir i sin tur bedre drivstoffeffektivitet og lastekapasitet. Det er også svært korrosjonsbestandig og har utmerket motstand mot atomisk oksygen. Dette gjør titan ideelt for bruksområder i lav bane rundt jorden, der oksidlaget kan beskytte mot denne svært reaktive oksygenformen. 

Disse fordelene fører imidlertid til at titan også er vanskelig å maskinbearbeide. Skjæreverktøyene må være skarpe, opprettholde kantlinjen og være svært slitesterke for å overvinne det sterke materialet. Samtidig har titan lav temperaturledeevne sammenlignet med metaller som stål og rustfritt stål, noe som kan føre til varmgang under maskinering, som igjen fører til at verktøyet slites raskere. 

Vurderinger ved maskinbearbeiding 

Maskinbearbeiding av varmebestandige superlegeringer krever spesialiserte verktøy og teknikker – så hvilke vurderinger må ingeniørene i romfartsindustrien gjøre? Først må de tenke på materialet i skjæreverktøyene. Karbid er oftest det foretrukne materialet, men det finnes også andre materialer som keramiske materialer til grovbearbeiding og kubisk bornitrid (CBN) til finbearbeiding av HRSA-materialer og polykrystallinsk diamant (PCD) til finbearbeiding av titanlegeringer. Verktøyets overflatebelegg og geometri er andre viktige hensyn. Disse materialene er følsomme for skjærkraft, så en skarpere geometri er vanligvis et bedre alternativ for å unngå å generere varme under maskinbearbeiding. Tynne, sterke belegg foretrekkes. PVD (Physical Vapor Deposition) er generelt førstevalget for HRSA-materialer. Innen dreiing av titan er imidlertid en ubelagt gradering det foretrukne valget.

HRSA-materialer maskinbearbeides vanligvis ved lavere skjærehastigheter (o/min) sammenlignet med konvensjonelle materialer, for å unngå for sterk varmeutvikling og slitasje. Justering av matehastighet og skjæredybde spiller også en avgjørende rolle for effektiv maskinbearbeiding. Riktig kjølestrategi er også avgjørende på grunn av varmeutviklingen ved maskinbearbeiding av HRSA-materialer og titan. Høytrykkskjølevæske brukes ofte for å bidra til å bryte av spon og lede bort varme. Produsentene bør også prioritere overvåking av verktøyslitasjen for å kunne forutse verktøysvikt og redusere faren for at innsatsen blir skadet, noe som potensielt kan skade en kostbar komponent. 

Sidefresing med høy mating er én metode Sandvik Coromant anbefaler for maskinbearbeiding av romfartskomponenter. Teknikken innebærer en liten radial kontaktflate mot arbeidsemnet, som gir mulighet for høyere skjære- og matehastigheter samt aksial skjæredybde med lavere varme- og radialkrefter. Sandvik Coromant har utviklet CoroMill® Plura HFS sidefreser med høy mating for å støtte denne metoden. Denne serien består av endefreser med unike geometrier og graderinger, og består av to endefresfamilier. Den ene familien er optimalisert for titanlegeringer, og den andre for nikkellegeringer.

Unike krav

Titan og HRSA-materialer er viktige i romfartskappløpet, men ekspertene utvikler hele tiden også sine egne materialer. I kappløpet om å nå nye høyder i verdensrommet før konkurrentene utvikler de fleste organisasjoner i bransjen sine egne unike materialblandinger for å få et forsprang.

Innholdet i disse materialene er ofte omgitt av hemmeligheter – det kan være titanlegeringer, ablative materialer. karbon-karbon-kompositter eller noe helt annet. I tillegg til romfartsingeniørene selv vil også leverandørene av maskineringsverktøy få kjennskap til de hemmelige materialblandingene.

I Sandvik Coromants tilfelle strekker vår romfartsekspertise seg over hele jorden, og vi har flere dedikerte forsknings- og utviklingsteam som gir råd om de beste verktøyene og teknikkene for jobben. Når en kunde tar kontakt med Sandvik Coromant, vil teamet samarbeide med kunden for å finne riktig maskinbearbeidingsløsning for kundens materialkrav. Dette kan innebære testing på et hemmelig sted, rådgivning om verktøyvalg og råd om maskinbearbeidingsmetoder. 

Mye står på spill når man utvikler komponenter som er ment for verdensrommet. Selv det minste kvalitetsavvik kan stoppe en ekspedisjon, og hvert trinn i produksjonsprosessen må derfor utføres omhyggelig. Det inkluderer materialene som velges til hver komponent, og hvordan de maskinbearbeides. For å oppnå suksess blant stjernene, er det viktig at produsentene vurderer balansen mellom robuste materialer og utfordringene de medfører med tanke på maskinbearbeiding. Tilgang til riktig maskineringskunnskap og robuste verktøy er avgjørende for å ta det neste store skrittet.