Introduzione al progetto di produzione additiva
Un team di ricerca sudcoreano, formato dal Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), dal Korea Aerospace Research Institute (KARI), da KP Aero Industries, da AM Solutions e dall’Università di Hanyang, ha sviluppato un serbatoio sferico ad alta pressione in lega di titanio. Il contenitore, con diametro di 640 mm e capacità di 130 L, supera le prove di tenuta a 330 bar a –196 °C, condotte in condizioni criogeniche con azoto liquido.
Tecnologia laser‐wire DED per componenti critici
Il serbatoio è stato realizzato impiegando il processo Directed Energy Deposition (DED) a filo-laser, messo a punto da KITECH. In questa tecnica, un laser ad alta potenza fonde un filamento di titanio Ti-6Al-4V mentre viene alimentato mediante un braccio robotico, depositando materiale strato dopo strato. Il vantaggio principale rispetto ai metodi a letto di polvere risiede nella velocità di deposizione: valori tipici di 0,75 kg/h possono raggiungere fino a 3 kg/h in sistemi ottimizzati, riducendo il tempo di costruzione e minimizzando gli scarti. Il filo, più economico e meno soggetto a contaminazioni rispetto alla polvere, consente inoltre un ambiente di lavoro più pulito e sicuro per gli operatori.
Processo di fabbricazione e assemblaggio
Per rispettare le tolleranze richieste dal settore aerospaziale, il serbatoio è stato stampato in due emisferi distinti. Dopo la deposizione, ciascun emisfero ha subito un trattamento termico di stabilizzazione e una lavorazione meccanica di precisione per garantire planarità e concentricità. Successivamente si è proceduto alla saldatura delle due calotte sotto protezione inerte, eliminando ogni rischio di ossidazione. Un sistema di monitoraggio in tempo reale, basato su sensori di temperatura e telecamere, ha verificato la correttezza del percorso di deposizione, mentre prove non distruttive (controlli ultrasonici e con correnti indotte) hanno confermato l’assenza di difetti interni.
Collaudi criogenici e di pressione
KARI ha organizzato il test finale: il serbatoio è stato raffreddato a –196 °C con immersione in azoto liquido e gradualmente portato a 330 bar, superando ampiamente il valore di esercizio prefissato in 220 bar. Strain gauge applicati sulla superficie hanno misurato deformazioni compatibili con le simulazioni numeriche preliminari, mentre videocamere ad alta velocità hanno monitorato eventuali anomalie esterne. Il superamento di questa prova attesta l’idoneità del serbatoio per impieghi in orbita, dove componenti devono sopportare sollecitazioni estreme a temperature criogeniche.
Proprietà e vantaggi della lega Ti-6Al-4V
La lega Ti-6Al-4V, scelta per il suo elevato rapporto resistenza-peso e la tenuta a basse temperature, è uno standard per applicazioni aerospaziali e cryogeniche. AM Solutions ha supportato il controllo chimico e granulometrico del materiale di partenza, assicurando la purezza del filo e la distribuzione regolare del diametro. Grazie alla deposizione diretta a filo, si è ridotto il buy-to-fly ratio, ottenendo pezzi near-net-shape con minimo sfrido di materia.
Benefici dell’approccio additivo per l’aerospazio
L’adozione del DED laser-wire permette di:
-
Ridurre i tempi di lead time da settimane a giorni;
-
Produrre componenti personalizzati in base al veicolo spaziale o al satellite;
-
Limitare il numero di parti meccaniche tradizionali, semplificando l’assemblaggio e la logistica;
-
Accorciare la catena di fornitura, stampando on-demand direttamente in stabilimento.
KP Aero Industries sta valutando come integrare questa tecnologia nei propri processi di fabbricazione e riparazione di strutture aeronautiche. L’Università di Hanyang ha avviato uno studio sugli effetti dei cicli termici di saldatura sui ricristallizzazioni della lega, con l’obiettivo di migliorare ulteriormente la tenuta a fatica.
Prospettive di impiego e commercializzazione
Il gruppo di ricerca punta ora a completare le qualificazioni necessarie per le normative ISO e AS 9100, aprendo al mercato componenti per vettori di lancio e sistemi di propulsione criogenica. La collaborazione con aziende private del settore spaziale potrebbe portare, entro i prossimi anni, alla produzione su scala di serbatoi personalizzati per missioni lunari e marziane, sfruttando la flessibilità del processo DED per realizzare forme complesse e ottimizzate in funzione del carico utile.
