Wytwarzanie przyrostowe znajduje coraz szersze zastosowanie w wielu dziedzinach produkcji przemysłowej. Wraz z popularyzacją i dojrzewaniem technologii druku 3D wzrasta zrozumienie newralgicznych aspektów procesu drukowania i powodów powstawania najbardziej typowych defektów. Bywa jednak, że niekorzystne okoliczności nakładają się na siebie, doprowadzając do osłabienia struktury drukowanych wyrobów, które czasami okazuje się katastrofalne w skutkach.
Przypadek I: komora spalania silnika rakietowego
Projektowanie i produkcja komponentów dla przemysłu kosmicznego stanowi duże wyzwanie dla inżynierów, ze względu na ich złożoną konstrukcję i skrajnie niekorzystne warunki eksploatacji. Przy użyciu zaawansowanych technologii wytwarzania i specjalistycznych materiałów powstają jednak podzespoły, zdolne sprostać nawet najbardziej rygorystycznym wymaganiom.
Przykładem takiego komponentu może być komora spalania silnika rakietowego. W celu uzyskania jak najlepszych osiągów rakiet, do ich napędu stosuje się paliwo o większej wartości energetycznej lub dąży się do uzyskania wyższego ciśnienia jego spalania. W obu przypadkach rezultatem będzie wzrost temperatury spalania, skutkujący wzrostem gęstości strumienia ciepła, przekazywanego na ścianki komory spalania, co może powodować odkształcenia termiczne. Jako że istotnym kryterium efektywności napędu rakietowego jest stosunek generowanego ciągu do masy własnej, wzrost wydajności spalania okupiony pogrubieniem ścianek komory spalania nie wchodzi w rachubę. Dlatego w budowie nowoczesnych silników rakietowych stosowane są aktywne systemy chłodzenia komory spalania i specjalistyczne stopy metali.
Złożona geometria kanałów chłodzących jest bardzo wymagająca technologicznie, dlatego na potrzeby produkcji komór spalania z chłodzeniem aktywnym wykorzystywane są różne metody wytwarzania przyrostowego. Z drugiej strony, prawidłowe działanie chłodzenia wymaga zastosowania do budowy komory spalania materiału o wysokiej przewodności cieplnej. Stanowi to dodatkową trudność, gdyż wysokie przewodnictwo cieplne surowca naraża uzyskiwany wyrób na odkształcenia termiczne w procesie druku 3D.
Stąd też, w ramach realizowanego przez NASA programu LLAMA (long life additive manufacturing assembly), do budowy produkcji komory spalania silnika rakietowego o ciągu 31 kN wybrano specjalistyczny stop GRCop-42 i technologię LPBF (laser powder bed fusion). Rodzina stopów GRCop na bazie miedzi, z dodatkiem chromu i niobu, została opracowana przez badaczy z należącego do NASA Glenn Research Center specjalnie pod kątem zastosowania w ekstremalnych warunkach, towarzyszących spalaniu paliwa rakietowego. Zapewniają one zarówno odpowiednią przewodność cieplną dzięki wysokiej zawartości miedzi, jak i wytrzymałość mechaniczną w temperaturach dochodzących do 600 °C, uzyskiwaną dzięki umacnianiu dyspersyjnemu poprzez formację międzymetalicznych faz Cr2Nb. Wykazują się odpornością na pełzanie, utlenianie i odkształcenia zmęczeniowe. Wysoka szybkość stygnięcia w procesie LPBF zapobiega zarówno powstawaniu odkształceń termicznych, jak i przerostowi faz międzymetalicznych w obrębie stopu.
Na potrzeby programu LLAMA wyprodukowano w technologii LPBF trzy identyczne komory spalania (C1, C2, C3) silnika rakietowego ze stopu GRCop-42, wraz z dodatkową komorą spalania innej konstrukcji, dla lepszego wykorzystania przestrzeni roboczej drukarki na zasadzie nestingu. Do badań wykorzystano dwa wydrukowane demonstratory technologii LLAMA. Wszystkie wydruki przed separacją od podłoża zostały poddane procesowi HIP (zagęszczania w wysokotemperaturowej prasie izostatycznej), przez 3h w temperaturze 954 °C, pod ciśnieniem 100 MPa. Jeden z nich (C3) z powodzeniem przeszedł serię ponad pięćdziesięciu testów statycznych, a drugi (C2) uległ zniszczeniu podczas dziewiątego testu. Trzeci egzemplarz pozostał nieużywany (C1).
cały artykuł jest dostępny w wydaniu płatnym 1/2 (220/221) styczeń/luty 2026
