Cuando los ingenieros del Instituto de Estructuras y Diseño del Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, o DLR) se encargaron de diseñar el cabezal del inyector del motor de cohete líquido para el proyecto Horizonte 2020 de la Unión Europea llamado SMall Innovative Launcher para Europa (SMILE Project), recurrieron a la impresión 3D sabiendo que podría manejar fácilmente el complejo diseño.
El cabezal del inyector impreso en metal presenta una reducción del recuento de piezas de 30: 1 y una reducción de peso del 10%.
En cohetería, el combustible sólido es un propulsor común porque se quema de manera más predecible que los combustibles líquidos y puede almacenarse durante largos períodos sin mucha degradación. Los cohetes modernos han adoptado la reutilización, y dado que los combustibles sólidos causan un daño significativo al cohete, los combustibles líquidos son la opción preferida para los cohetes reutilizables de hoy. La restauración y reutilización de cohetes permite que DLR ofrezca opciones más rentables para pequeños lanzadores de satélites. Pero la reutilización tiene el costo de una mayor complejidad, razón por la cual el equipo recurrió a AM.
Los gerentes del equipo de DLR Markus Kuhn e Ilja Müller se asociaron con el Centro de Innovación del Cliente (CIC) de 3D Systems en Lovaina, Bélgica, para diseñar el cabezal del inyector. “Basado en el éxito de las iniciativas relacionadas con el espacio que involucran DMP (Direct Metal Printing), pensamos que 3D Systems era perfectamente adecuado para proporcionar los aspectos de diseño para la fabricación del cabezal del inyector, con la vista puesta en nuevas posibilidades para la integración de sensores y combustible. y distribución de refrigerante ”, dijo Kuhn. Al imprimir en 3D el cabezal del inyector, lograron reducir las piezas del ensamblaje de 30 a 1, logrando una reducción de peso del 10%. El componente monolítico no solo es más rígido y ligero, sino que también incluye canales de enfriamiento que mejoran la eficiencia y la propulsión. Como está impreso en LaserForm Ni718 (A), una aleación de Inconel, es resistente a la oxidación y la corrosión. Eso es especialmente importante porque la cabeza del inyector es donde el combustible y el oxidante ingresan a la cámara de combustión. El material se comporta bien a temperaturas criogénicas de hasta 700 ° C, lo cual es igualmente importante ya que irá al espacio.
Koen Huybrechts, ingeniero de proyectos de 3D Systems , sabía que su diseño tenía características que mejoraban el rendimiento y que solo podían producirse con una impresora 3D de metal de alta precisión, por lo que ayudó al equipo de DLR a elegir la tecnología ideal: impresión directa en metal.
Más allá de mejorar el rendimiento mecánico y térmico, la consolidación del cabezal del inyector en una sola pieza acortó drásticamente el tiempo de espera de producción al omitir el suministro y el ensamblaje de todas esas piezas diferentes. Los beneficios no terminan ahí. Sin las restricciones de diseño impuestas por los métodos de fabricación tradicionales, los ingenieros podrían implementar técnicas de inyección coaxial que optimizan la mezcla de oxidante y combustible a través de una forma de doble remolino. Tal forma sería casi imposible de fabricar sin la impresión 3D.
Las simulaciones computacionales indicaron que el diseño produjo eficiencias favorables de mezcla y combustión, y las pruebas de fuego caliente de la pieza impresa mostraron los mismos resultados, validando tanto la precisión de la simulación de diseños imprimibles en 3D como la funcionalidad del propio cabezal del inyector impreso en 3D. Müller no se anda con rodeos sobre los beneficios de utilizar AM para este proyecto, afirmando: «Creemos que podemos decir con seguridad que las funcionalidades integradas del cabezal del inyector impreso en 3D son superiores y los tiempos de producción y costes más bajos en comparación con el estado de piezas equivalentes de última generación fabricadas mediante métodos convencionales «.
Imágenes cortesía de 3D Systems
