I maj 2023 sattes ett nytt rekord inom rymdresor: Vid tillfället befann sig 20 personer samtidigt i rymden. Bland de många rymdresor som genomfördes under året blev Virgin Galactics ”Galactic 01” den första kommersiella rymdresan (en s.k. suborbital flygning) för företaget, och även SpaceX har börjat förbereda den första kommersiella rymdpromenaden. Från rymdturism till raketinnovationer – människan tar sig allt djupare in i ”det stora svarta”. Men vad vet vi om de verktyg som krävs för att tillverka den rymdtekniska utrustningen? Här beskriver William Durow, Global Engineering Project Manager för rymd, försvar och flygindustri hos Sandvik Coromant, viktiga faktorer kring skärande bearbetning för den yttre rymden.

Under senare år har mänskligheten tagit flera teknikutvecklingssprång framåt. I april 2023 sköt European Space Agency upp farkosten JUICE (JUpiter ICy moons Explorer), som beräknas nå Jupiters månar under 2030. Därefter tar det tre och ett halvt år att observera de tre månarna kring Jupiter. SpaceX planerar också ungefär 100 uppskjutningar i år, och NASA:s OSIRIS-Rex har precis återvänt till jorden, i september 2023. Det är bara några exempel på slutförda, pågående och framtida projekt som ska hjälpa oss att få mer information om vår galax. 

För att nå framgång i rymden finns det många faktorer att ta hänsyn till och för att genomföra en rymdresa krävs det detaljerad planering, många förberedelser och ett noggrant genomförande av varje steg, med kvalificerade rymdingenjörer och uppdragsledare. De material som används i rymdapplikationer måste dessutom klara svåraste tänkbara förhållanden – exempelvis vakuum, strålning, värmecykler och påfrestningar från mikrometeoriter.

Sega material

För att bygga något som ska vara anpassat för rymdförhållanden krävs en rad materialöverväganden i syfte att säkerställa säkerhet, prestanda och funktion under extrema förhållanden. Strukturmässigt måste materialen klara höga tryck och de krafter och spänningar som uppstår vid uppskjutning och under färd. Rymdfarkoster utsätts också för extrem hetta vid återvändandet till jordatmosfären, vilket innebär att de utvändiga materialen måste förhindra att farkosten brinner upp. Även andra komponenter, till exempel raketspetsen, måste bestå av värmebeständiga material. 

Vikt är ytterligare en faktor, i synnerhet för komponenter som raketens drivmedelstank: En lättare tank klarar strukturella påkänningar bättre och kan bidra till förbättrad nyttolastkapacitet. Ju mer raketen väger, desto mindre nyttolast – i form av exempelvis satelliter, vetenskapliga instrument och besättning – kan den ta med sig ut i rymden. Om drivmedelstankarna har lägre vikt kan en större andel av raketens totala vikt användas för nyttolast, så att uppdragsresurserna maximeras.

Vanliga material för den här typen av applikationer är varmhållfasta superlegeringar (HRSA, heat resistant super alloy). Sådana material passar bra i rymden, tack vare hög förmåga att klara tuffa förhållanden. Men deras egenskaper innebär vissa utmaningar vad gäller bearbetning.  

Varmhållfasta superlegeringar är utvecklade för att klara extrema temperaturer, mekaniska påkänningar och korrosiva miljöer, och de används främst i applikationer där konventionella material inte fungerar på grund av begränsande egenskaper under extrema förhållanden . Varmhållfasta superlegeringar bibehåller sina mekaniska egenskaper och sin strukturella hållfasthet vid mycket höga temperaturer (ofta över 1 000 °C), och har utmärkt krypningsbeständighet samt bra termisk stabilitet. De används i komponenter som turbinblad, avgasmunstycken och förbränningskammare.

Men även varmhållfasta superlegeringar har begränsningar – i synnerhet ur bearbetningssynpunkt. Materialen är metallurgiskt sammansatta för att bibehålla sina egenskaper när de utsätts för extrema temperaturer, vilket även innebär att det genereras kraftiga påfrestningar när materialen bearbetas. De nickelbaserade superlegeringarna har en unik förmåga att bibehålla egenskaperna nära sin egen smältpunkt – därmed är de svårbearbetade.

Ett annat vanligt material i rymdapplikationer är titan. Titan är en metall med låg vikt. Med en densitet på omkring hälften av stålets, bidrar titanet till att minska rymdfarkostens totala vikt, vilket leder till högre bränsleeffektivitet och nyttolastkapacitet. Titanet är också mycket korrosionsbeständigt och har bra motstånd mot s.k. atomärt syre. Därmed är titanet lämpligt för låga omloppsbanor runt jorden, där materialets oxidskikt skyddar mot det atomära syrets höga reaktionsbenägenhet. 

De här fördelarna gör dock titanet svårbearbetat. Skärverktygen måste vara vassa, kunna behålla egglinjen och ha enormt hög motståndskraft mot förslitning, för att klara titanets höga hållfasthet. Samtidigt kan dess låga värmeledningsförmåga – jämfört med exempelvis stål eller rostfritt stål – leda till att värme ackumuleras vid bearbetning, vilket kan orsaka verktygsförslitning i förtid. 

Hänsynstaganden inför bearbetning 

För bearbetning av varmhållfasta superlegeringar krävs det särskilda verktyg och tekniker – vad måste rymdingenjörerna ta i beaktande? Först och främst måste de göra överväganden kring skärverktygsmaterialet. Hårdmetall är det oftast valda alternativet men det finns även andra alternativ, som keramer för grovbearbetning och kubisk bornitrid (CBN) för finbearbetning av varmhållfasta superlegeringar, eller polykristallin diamant (PCD) för finbearbetning av titanlegeringar. Verktygsbeläggningar och geometri är andra viktiga faktorer att beakta. Den här typen av material skjuvas gärna, så en vassare geometri är vanligen ett bättre alternativ för att inte generera värme under bearbetningen. Tunna sega beläggningar är att föredra. Fysikalisk ångdeponering (PVD) är i allmänhet första val för varmhållfasta superlegeringar men för svarvning i titan bör en obelagd sort vara första val.

Varmhållfasta superlegeringar bearbetas vanligen vid lägre skärhastigheter (varv/min) än konventionella material. Detta för att förhindra värmeuppbyggnad och strålförslitning. Att justera matningshastigheter och skärdjup har också avgörande betydelse för att uppnå effektiv bearbetning. Även rätt kylningsstrategi är avgörande, på grund av den värmemängd som varmhållfasta superlegeringar och titan genererar under bearbetningen. Högprecisionstillförsel av skärvätska används ofta för att underlätta spånbrytning och leda bort värme. Det är också en god idé för tillverkarna att övervaka verktygsförslitningen, i syfte att minska risken för skärskador som annars kan leda till skador på dyrbara komponenter. 

Sidfräsning med hög matning är en metod som Sandvik Coromant rekommenderar för bearbetning av rymdkomponenter. Tekniken går ut på att ha ett litet radiellt ingrepp i arbetsstycket, vilket möjliggör högre skärhastigheter och matningar samt axiella skärdjup med mindre värme och lägre radialkrafter. För att stödja metoden har Sandvik Coromant utvecklat CoroMill® Plura HFS-sortimentet för sidfräsning med hög matning. Sortimentet, som innefattar en rad pinnfräsar med unika geometrier och sorter, består av två pinnfräsfamiljer. Den ena familjen är optimerad för titanlegeringar och den andra för nickellegeringar.

Unika krav

Titan och varmhållfasta superlegeringar är viktiga material i den ”moderna rymdkapplöpningen”, men experterna utvecklar också nya material fortlöpande. De flesta organisationer i branschen utvecklar egna, unika materialblandningar för att ligga i framkant och nå nya framgångar i kapplöpningen.

Sådana materials sammansättning och innehåll är ofta en affärshemlighet – det kan röra sig om titanlegeringar, ablativa material, kol-kol-kompositer eller helt andra varianter. Rymdfarkostingenjörerna känner till ”materialrecepten”, som också avslöjas för maskinverktygsleverantören.

Sandvik Coromant har rymduppdragsexpertis runtom i världen, och flera FoU-team som sysslar med att ge råd om de bästa verktygen och metoderna för uppdragen. Sandvik Coromants team arbetar tillsammans med kunden för att hitta den bästa bearbetningslösningen för de aktuella materialkraven. Arbetet kan innefatta testning på en säker plats samt rådgivning om verktygsval och bearbetningsmetoder. 

Insatserna är höga när man ska utveckla komponenter för yttre rymden. Minsta kvalitetsbrist kan sätta stopp för uppskjutningen, så noggrannhet i varje steg av tillverkningsprocessen är av yttersta vikt. Det gäller även vid val av material och bearbetningsmetod för varje komponent. Tillverkare som vill nå framgång bland stjärnorna måste väga materialens seghet mot de bearbetningsutmaningar som segheten medför. Att ha tillgång till rätt bearbetningskunskaper och robusta verktyg är en förutsättning för att kunna ta nästa språng framåt.