Aspectos del corte de metales en la carrera espacial

En mayo de 2023, se estableció un nuevo récord de personas en el espacio a la vez, con 20 personas en órbita simultáneamente. Entre las muchas misiones espaciales que han tenido lugar este año, la Galactic 01 de Virgin Galactic supuso la primera misión de vuelo espacial suborbital comercial para la empresa, mientras que SpaceX se prepara para su primer paseo espacial comercial. Desde el turismo espacial hasta la innovación en cohetes, el hombre se sumerge cada vez más en la negrura del espacio. Pero, ¿cuánto se sabe sobre las herramientas que están desarrollando la exploración espacial? En este artículo, William Durow, director global de proyectos de ingeniería para los sectores espacial, de defensa y aeroespacial de Sandvik Coromant, revela los aspectos del corte de metales para el espacio exterior.

En los últimos años, hemos asistido a varios saltos gigantescos para la humanidad. La misión Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) de la Agencia Espacial Europea se lanzó en abril de 2023 y está previsto que llegue al sistema joviano en 2030. Tardará tres años y medio en observar las tres lunas de Júpiter. SpaceX también tiene previstos unos 100 lanzamientos este año, y la sonda OSIRIS-Rex de la NASA ha vuelto recientemente a la Tierra en septiembre de 2023. Y eso es solo una muestra de los proyectos recientes, actuales y futuros que pretenden ayudarnos a conocer mejor nuestra galaxia.

Garantizar el éxito entre las estrellas requiere muchas consideraciones. Ya se trate de una planificación minuciosa de la misión, una simulación rigurosa, gestores de misión cualificados o una planificación de contingencias eficaz, un viaje espacial con éxito requiere una planificación, preparación y ejecución cuidadosas. Además, los materiales utilizados en aplicaciones espaciales deben soportar algunas de las condiciones más extremas que se puedan imaginar, como el vacío, la radiación, los ciclos térmicos y los impactos de micrometeoritos.

Materiales tenaces
Construir cualquier cosa destinada al espacio implica una serie de consideraciones sobre los materiales para garantizar su seguridad, rendimiento y funcionalidad en condiciones extremas. Desde un punto de vista estructural, los materiales deben ser capaces de soportar las altas presiones y tensiones que se experimentan durante el lanzamiento y el vuelo. Las naves espaciales también experimentarán un calor intenso durante la reentrada en la atmósfera terrestre, por lo que los materiales externos deben evitar que el vehículo se queme. Otros componentes, como las boquillas de los cohetes, también deben fabricarse con materiales resistentes al calor.

El peso también es un factor a tener en cuenta, sobre todo en elementos como los propulsores de los cohetes, ya que un depósito más ligero puede soportar mejor las tensiones estructurales y contribuir a la capacidad de carga útil. Cuanto más pese el cohete, menos carga útil, incluidos satélites, instrumentos científicos y tripulación, podrá transportar al espacio. Los propulsores más ligeros permiten destinar una mayor parte del peso total del cohete a la carga útil, maximizando las capacidades de la misión.

Entre los materiales más populares para estas aplicaciones, se encuentran las superaleaciones termorresistentes (HRSA). Estos materiales representan una ventaja para el espacio por su excepcional capacidad para soportar condiciones duras. Ahora bien, su resistencia también plantea problemas de mecanizado. 

Las HRSA están diseñadas para soportar temperaturas extremas, tensiones mecánicas y entornos corrosivos, y se utilizan principalmente en aplicaciones en las que los materiales convencionales fallarían debido a sus limitaciones en condiciones extremas. Capaces de mantener sus propiedades mecánicas y su integridad estructural a temperaturas muy elevadas, que a menudo superan los 1000 °C (1832 °F), así como una excelente resistencia a la fluencia y una buena estabilidad térmica, las HRSA se usan para componentes como álabes de turbina, boquillas de escape y cámaras de combustión.

Sin embargo, las HRSA tienen sus limitaciones, sobre todo desde el punto de vista del mecanizado. Aunque los materiales están compuestos metalúrgicamente para conservar sus propiedades cuando se exponen a temperaturas extremas, esto también significa que las tensiones generadas al mecanizar estos materiales son elevadas. La capacidad única de estas superaleaciones con base de níquel para funcionar cerca de su punto de fusión también les confiere, en general, una escasa maquinabilidad.

Otro material clave para los componentes espaciales es el titanio. El titanio, un metal ligero con una densidad de aproximadamente la mitad de la del acero, ayuda a reducir el peso total de las naves espaciales, lo que a su vez redunda en una mayor eficiencia del combustible y capacidad de carga útil. También es muy resistente a la corrosión y tiene una excelente resistencia al oxígeno atómico, lo que hace que el titanio sea ideal para aplicaciones en la órbita terrestre baja, donde su capa de óxido puede proporcionar protección contra esta forma altamente reactiva de oxígeno.

No obstante, estas ventajas también dificultan el mecanizado del titanio. Las herramientas de corte deben estar afiladas, mantener su línea del filo y ser increíblemente resistentes al desgaste para luchar contra la alta resistencia del material, mientras que su baja conductividad térmica, en comparación con metales como el acero o el acero inoxidable, puede dar lugar a la acumulación de calor durante el mecanizado, lo que puede provocar un desgaste prematuro de la herramienta.

Aspectos del mecanizado
El mecanizado de superaleaciones termorresistentes requiere herramientas y técnicas especializadas, así que ¿qué deben tener en cuenta los ingenieros espaciales? En primer lugar, deben tener en cuenta el material de sus herramientas de corte. Aunque el metal duro es el material de elección por excelencia, también existen otros materiales, como la cerámica para el desbaste y el nitruro de boro cúbico (CBN) para el acabado de HRSA y el diamante policristalino (PCD) para el acabado de aleaciones de titanio. Los recubrimientos y la geometría de la herramienta son otros aspectos importantes. A estos materiales les gusta romperse, por lo que una geometría más afilada suele ser una mejor opción para no generar calor durante el mecanizado. Es preferible utilizar recubrimientos finos y duros. La deposición física en fase de vapor (PVD) es generalmente la primera elección para los materiales de HRSA, sin embargo, en aplicaciones de torneado de titanio se prefiere una calidad sin recubrimiento como primera elección.

Las HRSA se suelen mecanizar a velocidades de corte (rpm) inferiores a las de los materiales convencionales, para evitar la acumulación excesiva de calor y el desgaste en entalla. El ajuste de las velocidades de avance y las profundidades de corte también desempeña un papel crucial en el mantenimiento de un mecanizado eficaz. La estrategia de refrigeración adecuada también es fundamental debido a la cantidad de calor que generan las HRSA y el titanio durante el mecanizado. A menudo, se emplea refrigerante a alta presión para romper las virutas y disipar el exceso de calor. Los fabricantes también querrán dar prioridad a la supervisión del desgaste de la herramienta para predecir el fallo de la misma y reducir la posibilidad de fallo de la plaquita, que puede dañar potencialmente una pieza cara.

Un método que Sandvik Coromant recomienda para el mecanizado de componentes espaciales es el fresado lateral de alto avance. Esta técnica implica un pequeño empañe radial con la pieza, lo que permite aumentar la velocidad de corte, la velocidad de avance y la profundidad de corte axial con menos calor y fuerzas radiales. Como apoyo a este método, Sandvik Coromant ha desarrollado la gama de fresado lateral de alto avance CoroMill® Plura HFS. La gama presenta una serie de fresas de ranurar con geometrías y calidades exclusivas y está formada por dos familias de fresas de ranurar. Una familia está optimizada para aleaciones de titanio y la otra para aleaciones de níquel.

Requisitos exclusivos
Aunque el titanio y las HRSA son materiales cruciales en la carrera espacial, los expertos no dejan de innovar también sus propios materiales. En un intento por alcanzar nuevas cotas espaciales antes que sus competidores, la mayoría de las organizaciones que operan en este campo también desarrollan su propia mezcla única de materiales para obtener una mayor ventaja.

El contenido de esos materiales suele mantenerse en secreto: puede tratarse de aleaciones de titanio, materiales ablativos, composites de carbono-carbono o algo totalmente distinto. Junto a los propios ingenieros de la nave espacial, los secretos de su mezcla de materiales también se revelarán a su proveedor de máquinas herramienta.

En el caso de Sandvik Coromant, nuestra experiencia en exploraciones espaciales se extiende por todo el mundo e incluye varios equipos de I+D encargados de asesorar sobre las mejores herramientas y técnicas para el trabajo. Cuando un cliente se pone en contacto con Sandvik Coromant, el equipo trabajará con él para descubrir la solución de mecanizado para sus necesidades de material. Esto puede implicar realizar pruebas en un lugar seguro, asesorar sobre la selección de herramientas y aconsejar sobre metodologías de mecanizado.

Hay mucho en juego cuando se desarrollan componentes destinados al espacio exterior. Hasta el más mínimo fallo de calidad puede impedir que una misión despegue, por lo que debe prestarse especial atención a cada paso del proceso de fabricación. Eso incluye los materiales seleccionados para cada pieza y cómo se mecanizan. Para tener éxito entre las estrellas, es importante que los fabricantes consideren un equilibrio entre los materiales tenaces y los retos de mecanizado que conllevan. Tener acceso a los conocimientos de mecanizado adecuados y a herramientas robustas es clave para dar el próximo gran salto.

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