Un motore a razzo stampato in 3D

Il motore a razzo è un motore a reazione, il cui funzionamento è basato sul terzo principio della dinamica (detto anche legge di Newton): "Per ogni forza che un corpo A esercita su di un altro corpo B, ne esiste istantaneamente un'altra uguale in modulo e direzione, ma opposta in verso, causata dal corpo B che agisce sul corpo A”. Il motore a razzo quindi, sfrutta il principio di azione e reazione per produrre una spinta.

In inglese vengono identificate due tipologie differenti di motori a razzo, in base al tipo di combustibile che utilizzano: il rocket motor è un motore a razzo a combustibile solido; il rocket engine si riferisce a un motore a razzo a combustibile liquido.

Generalmente i motori a razzo sono costituiti da lunghi tubi metallici lisci che circondano un propellente solido composto da un polimero, un ossidante e da polvere metallica. Il propellente posto all’interno può bruciare oltre 3000 Kelvin e generare una pressione di oltre 10^7 Pascal.

Space X e la NASA hanno utilizzato la stampa 3D a metallo per realizzare motori a razzo funzionali; è necessario tuttavia considerare che le macchine che impiegano questa tecnologia sono molto costose e quindi ancora molto poco diffuse.

Per questo motivo tre studenti del MIT AeroAstro, Matt Vernacchia, Kelly Mathesius, e Charlie Garcia, hanno deciso di intraprendere la sfida di realizzare le componenti di un motore a razzo utilizzando una stampante molto più accessibile: la Markforged Mark Two con tecnologia CFF.

La progettazione studiata dai 3 ingegneri consiste in un lungo cilindro con una cavità che contiene il propellente; una sezione filettata che consente l’installazione del propellente e di strumentazione aggiuntiva; un ugello che dirige i flussi dei gas caldi e produce la spinta

Per realizzare i componenti del motore a razzo, era necessario assicurarsi che le parti fossero in grado di resistere alle sollecitazioni e ai carichi termici. Questo perchè la pressione che si verifica all’interno del motore crea un fenomeno di cylinder stress in due direzioni: hoop stress, stato di tensione nella direzione radiale; la pressione interna crea una forza perpendicolare all'asse e al raggio della parete del cilindro; axial stress, strato di tensione nella direzione assiale; la pressione interna crea una forza lungo l'asse del cilindro.

Grazie alla tecnologia CFF (Continuous Fiber Fabrication) di Markforged, conferire ai componenti le proprietà per resistere a queste pressioni è possibile: questa tecnologia infatti permette di creare pezzi stampati 3D in Nylon o Onyx (nylon caricato con fibre di carbonio corte), rinforzati però con fibre continue di vetro, carbonio o Kevlar.

Queste fibre permettono di ottimizzare le prestazioni meccaniche della parte e, nel caso del motore a razzo, di resistere ai carichi termici e meccanici.

I materiali impiegati per realizzare i vari componenti del motore a razzo sono il Nylon e l’Onyx, utilizzati come matrice, per conferire al pezzo durezza e resistenza strutturale; la Fibra di Vetro e di Carbonio, utilizzate come rinforzi, per rigidità e resistenza alle alte temperature.

La Mark Two permette di creare parti che resistano ai carichi radiali, grazie alla possibilità di impostare il rinforzo concentrico per la fibra di vetro. Questo rinforzo incrementa notevolmente la resistenza a trazione nella direzione radiale di un ordine di grandezza rispetto al solo Nylon, mentre Onyx aiuta a sopportare il carico assiale. Il Nylon caricato con fibre di carbonio corte infatti, migliora molto la resistenza a l’adesione tra i layer rispetto agli altri filamenti plastici.

L’ugello è la parte del motore a razzo che dirige il flusso dei gas caldi e genera la spinta.

Essendo sottoposto ad elevati stress termici, necessita di essere protetto dai picchi di calore attraverso materiali ablativi. Si parla di fenomeno di ablazione quando un corpo subisce evaporazione o continua degradazione del materiale surriscaldato; questo permette di evitare forti variazioni di temperatura nella zone interne.

I materiali ablativi sono in genere composti da un polimero (solitamente resina fenolica) rinforzato con fibre di vetro o di carbonio. Uno dei materiali utilizzati per gli scudi ablativi dalle grandi imprese aerospaziali è il carbonio fenolico, adatto alle traiettorie che hanno flussi di calore molto elevati.

Bisogna considerare che i materiali ablativi si consumano e hanno una durata limitata.

I materiali in Fibra di Vetro o Onyx di Markforged rappresentano discreti sostituti dei materiali ablativi.

Inoltre presentano dei vantaggi notevoli di produzione: gli ugelli tradizionali infatti, necessitano di un grande investimento di denaro per essere realizzati e le modifiche in fase di progettazione sono costose e richiedono tempi molto lunghi. Con le lavorazioni tradizionali le parti vengono realizzate nel giro di diverse settimane. Al contrario, utilizzando la Markforged Mark Two il processo di produzione risulta molto più rapido ed economico e non necessita di eventuali modifiche di attrezzaggio. Le parti sono state stampate nel giro di due giorni e 7 ore.

L’impostazione della quantità e direzione delle fibre di rinforzo è completamente gestita dal software Eiger. La stampa completa impiega 2 giorni e 7 ore, un tempo molto inferiore rispetto ai tradizionali processi produttivi conto terzi. Un altro vantaggio è che la stampa non richiede alcun cambio utensile.

Una volta stampate le componenti necessarie, il motore a razzo viene assemblato con l’aiuto degli O-ring, anelli utilizzati come guarnizioni meccaniche o sigilli, di un barometro e di lamiere in alluminio.

Il motore a razzo completo e assemblato è stato testato due volte. Il primo test ha dato risultati positivi. È stato utilizzato un propellente non molto energetico, che producesse meno calore e meno pressione. Il motore a razzo ha raggiunto il flusso supersonico sufficiente per produrre la spinta. Il case del motore ha mantenuto una buona integrità strutturale e la gola dell'ugello ha subito un’erosione di pochi millimetri.

Il grafico seguente mostra la pressione nella camera del motore. La pressione di picco è di 0.35 MPa, dopodichè diminuisce durante il burn process.

Sebbene il case del motore sia stato progettato per un singolo uso, è stato svolto un ulteriore test. È stato utilizzato un propellente più energetico. La gola era già usurata dal primo test e si è rapidamente erosa, diventando troppo grande per mantenere il flusso supersonico. Di conseguenza il flusso attraverso l'ugello è passato in fase subsonica, producendo poca spinta.

Questo motore a razzo in plastica è un’innovazione realizzata a basso costo grazie alla stampa 3D e ai materiali sempre più performanti. In futuro la progressiva evoluzione di questa tecnologia, potrebbe rappresentare una valida soluzione per eseguire prototipi e test di motori a razzo, in modo rapido ed economico.

I tre ingegneri sono riusciti a soddisfare le proprie esigenze grazie alla stampante 3D professionale Markforged Mark Two e alla tecnologia CFF, che ha permesso la realizzazione di parti con elevate proprietà meccaniche.

Se vuoi rimanere sempre informato sulle novità della stampa 3D iscriviti alla newsletter gratuita.

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here