Havalandıran üretim: Uzay yarışında talaşlı imalatla ilgili hususlar

Son yıllarda insanlık adına çok sayıda dev sıçramalara tanık oluyoruz. Avrupa Uzay Ajansı tarafından geliştirilen ve Nisan 2023'te fırlatılan JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE) uzay aracının 2030 yılında Jüpiter gezegenine varması planlanıyor. Üç buçuk yıl boyunca Jüpiter'in üç uydusunu gözlemleyecek. Bu yıl SpaceX tarafından da yaklaşık 100 uydunun uzaya fırlatılması planlanıyor ve NASA'nın uzay aracı OSIRIS-Rex yakın zamanda Eylül 2023'te Dünya'ya geri dönüş yaptı. Bunlar, galaksimiz hakkında daha fazla bilgi edinmemize yardımcı olmayı amaçlayan yakın tarihli, güncel ve gelecekteki projelerden sadece birkaçıdır.

Yıldızlar arasında başarıya ulaşmak için birçok hususun dikkate alınması gerekir. Kapsamlı görev planlaması, titiz simülasyonlar, uzman yöneticiler veya etkili acil durum planlaması gibi çalışmalar fark etmeksizin, başarılı bir uzay yolculuğu dikkatli planlama, hazırlık ve uygulama süreçlerini gerektirir. Buna ek olarak, uzay uygulamalarında kullanılan malzemelerin vakum, radyasyon, termal döngü ve mikrometeoroid darbeleri gibi bazı hayal edilebilecek en zorlu koşullara dayanması gerekir.

Tok malzemeler

Uzay için tasarlanan herhangi bir aracı inşa ederken zorlu koşullarda güvenlik, performans ve işlevsellik gibi özelliklerin sağlanması için malzemeler ile ilgili bazı hususlara dikkat edilmelidir. Malzemeler yapısal olarak, kalkış ve uçuş sırasında yaşanan yüksek basınç ve gerilimlere dayanabilmelidir. Uzay aracı Dünya atmosferine yeniden giriş yaptığında da yoğun ısıya maruz kalacaktır, bu nedenle aracın yanmasını önleyecek dış malzemeler kullanılmalıdır ve roket nozulları gibi diğer bileşenler de ısıya dayanıklı malzemelerden üretilmelidir.

Özellikle roket yakıt tankları gibi unsurlar için dikkate alınması gereken bir diğer husus da ağırlıktır. Daha hafif bir tank, yapısal gerilimlere daha iyi dayanabilir ve yük taşıma kapasitesinin artırılmasına katkı sağlayabilir. Roketin ağırlığı ne kadar fazla olursa, uydular, bilimsel aletler ve mürettebat da dahil olmak üzere uzaya taşıyabileceği yük de o kadar azalır. Tank ağırlığının azaltılmasıyla, roketin toplam ağırlığının büyük bir kısmı yük taşımaya ayrılabilir, bu da uçuş kapasitesini en üst seviyeye çıkarır.

Bu uygulamalara yönelik popüler malzemeler arasında ısıya dayanımlı süper alaşımlar (HRSA'lar) bulunur. Bu malzemeler, zorlu koşullara dayanma konusundaki üstün yetenekleri nedeniyle uzay açısından avantajlıdır. Ancak, sertlikleri işleme zorluklarını da beraberinde getirir. 

HRSA malzemeler aşırı sıcaklıklara, mekanik gerilimlere ve aşındırıcı çevre koşullarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır ve öncelikle konvansiyonel malzemelerin zorlu koşullardaki sınırlamaları nedeniyle başarılı performans gösteremediği uygulamalarda kullanılır. Genellikle 1000°C'yi (1832°F) aşan çok yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerini ve yapısal bütünlüğünü koruyabilen, mükemmel sürünme direncine ve üstün termal stabiliteye sahip HRSA malzemeler türbin kanatları, egzoz nozulları ve yanma odaları gibi bileşenlerde kullanılır.

Ancak HRSA'lar, özellikle işleme açısından sınırlamalara sahiptir. Malzemeler metalürjik olarak aşırı sıcaklıklara maruz kaldıklarında özelliklerini koruyacak şekilde üretilmiş olsa da, bu aynı zamanda bu malzemelerin işlenmesi sırasında oluşan gerilimlerin yüksek olduğu anlamına gelir. Nikel bazlı süper alaşımlar, erime noktalarına yakın performans gösterme konusunda benzersiz yeteneklere sahiptir, bu nedenle işlenebilirlik özellikleri de genellikle zayıftır.

Uzay bileşenleri için kullanılan bir diğer önemli malzeme ise titanyumdur. Titanyum, çeliğin kabaca yarısı kadar yoğunluğa sahip hafif bir metaldir ve uzay araçlarının toplam ağırlığının azaltılmasına yardımcı olur, bu da daha fazla yakıt verimliliği ve yük taşıma kapasitesi sağlar. Ayrıca titanyum, korozyona karşı yüksek dayanımı ve atomik oksijene karşı mükemmel direnci sayesinde alçak yörünge uygulamaları için ideal bir malzemedir ve sahip olduğu oksit tabaka oksijenin bu oldukça reaktif formuna karşı koruma sağlayabilir.

Ancak sağladığı bu avantajlar titanyumun işlenmesini de zorlaştırır. Kesici takımların malzemenin yüksek mukavemetiyle mücadele edebilmek için keskin olması, kenar hatlarını koruması ve aşınmaya karşı son derecede dayanıklı olması gerekir; çelik veya paslanmaz çelik gibi metallere kıyasla ısıl iletkenliğinin düşük olması, işleme sırasında ısı birikimine neden olabilir ve bu da takımın erken aşınmasına yol açabilir.

İşlemeyle ilgili hususlar

Isıya dayanımlı süper alaşımların işlenmesi özel takımlar ve teknikler gerektirir. Peki, uzay mühendislerinin nelere dikkat etmesi gerekir? İlk olarak, kesici takımların malzemesine dikkat etmek isteyeceklerdir. Karbür en çok tercih edilen malzeme olsa da kaba işleme için seramik ve HRSA'larda ince işleme için kübik bor nitrat (CBN) ve titanyum alaşımlarında ince işleme için polikristalin elmas (PCD) gibi diğer malzemeler de mevcuttur. Takım kaplamaları ve geometrisi de dikkat edilmesi gereken diğer önemli hususlardır. Bu malzemeler kesilmeyi sever, bu nedenle işleme sırasında ısı üretmeyen daha keskin bir geometri genellikle daha iyi bir seçenektir. İnce tok kaplamalar tercih edilir. Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) genellikle HRSA malzemeler için ilk tercihtir, ancak titanyum tornalama uygulamalarında ilk tercih olarak kaplamasız bir kalite tercih edilir.

HRSA malzemelerin işlemesi sırasında aşırı ısı birikimini ve çentik aşınmasını önlemek için konvansiyonel malzemelere kıyasla genellikle daha düşük kesme hızları (dev/dak) kullanılır. İlerleme hızlarının ve kesme derinliklerinin ayarlanması da verimli işlemenin sürdürülmesinde önemli bir rol oynar. HRSA'ların ve titanyumun işleme sırasında ürettiği ısı miktarı nedeniyle doğru soğutma stratejisinin kullanılması da çok önemlidir. Talaşların kırılmasına yardımcı olmak ve aşırı ısıyı dağıtmak için genellikle yüksek basınçlı soğutma sıvısı kullanılır. Ayrıca, üreticiler takım arızasını öngörmek ve pahalı bir bileşene zarar verebilecek kesici uç arızası olasılığını azaltmak için takım aşınmasını izlemeye öncelik vermek isteyecektir.

Sandvik Coromant'ın uzay bileşenlerinin işlemesi için önerdiği yöntemlerden biri yüksek ilerleme ile kenar frezelemedir. Bu teknik, iş parçasına, düşük ısı ve radyal kuvvetler sayesinde yüksek kesme hızı, ilerleme hızı ve eksenel kesme derinliğine imkan tanıyan küçük bir radyal kavrama içerir. Bu yöntemi desteklemek için Sandvik Coromant, CoroMill® Plura HFS yüksek ilerleme ile kenar frezeleme serisini geliştirmiştir. İki parmak freze ürün grubundan oluşan seri içerisinde benzersiz geometrilere ve kalitelere sahip parmak frezeler bulunmaktadır. Ürün gruplarından biri titanyum alaşımları için, diğeri ise nikel alaşımları için optimize edilmiştir.

Benzersiz gereksinimler

Titanyum ve HRSA'lar uzay yarışında çok önemli malzemeler olsa da uzmanlar kullandıkları malzemeleri de sürekli olarak yenilemektedir. Bu alanda faaliyet gösteren çoğu kuruluş, rakiplerinden önce uzayın yeni zirvelerine ulaşma girişimlerinde kendilerine avantaj sağlayacak benzersiz malzeme karışımlarını da geliştirmektedir.

Bu malzemelerin içeriği genellikle gizli tutulur, titanyum alaşımları, aşındırıcı malzemeler, karbon-karbon kompozitleri veya tamamen farklı bir malzeme olabilir. Malzeme karışımının sırları, uzay aracı mühendislerinin yanı sıra takım tezgahı tedarikçileri ile de paylaşılacaktır.

Sandvik Coromant olarak, uzay araştırmaları alanındaki uzmanlığımız dünya geneline yayılmıştır ve bu işe uygun en iyi takım ve teknikler konusunda tavsiyelerde bulunmakla görevli birden fazla özel Ar-Ge ekibimiz bulunmaktadır. Bir müşteri Sandvik Coromant'a başvurduğunda, ekip müşteriyle birlikte çalışarak malzeme gereksinimlerine uygun işleme çözümünü bulacaktır. Ekip, güvenli bir tesiste testler yapabilir, takım seçimi konusunda danışmanlık sağlayabilir ve işleme yöntemleri ile ilgili tavsiyelerde bulunabilir.

Uzaya gönderilecek bileşenler geliştirmek yüksek riskler içerir. Kalitedeki en ufak bir düşüş bile uzay aracının havalanmasını engelleyebilir, bu nedenle üretim prosesinde her adıma dikkat edilmesi gerekir. Buna her bileşen için seçilen malzemeler ve bu malzemeleri işleme yöntemleri de dahildir. Yıldızlar arasında başarıya ulaşmak için, üreticilerin tok malzemeler ile bunların beraberinde getirdiği işleme zorlukları arasında bir denge kurması önemlidir. Bir sonraki büyük sıçramayı gerçekleştirmenin anahtarı, doğru işleme bilgisinin ve sağlam takımların kullanılmasıdır.

Yazar: 

Anne Björck – Global Halkla İlişkiler – Sandvik Coromant