TENDENCIAS DE MATERIALES Y MECANIZADO EN LA FABRICACIÓN AERONÁUTICA
Los fabricantes aeronáuticos buscan la sostenibilidad a través de un menor consumo de combustible, al tiempo que conservan sus niveles de rendimiento y seguridad, lo que hace que la ciencia de los materiales y el mecanizado sean cada vez más importantes. El experto en materiales de última generación, el profesor Martin Jackson, analiza las tendencias actuales.
LA SOSTENIBILIDAD Y LOS NUEVOS MATERIALES ESTÁN TENIENDO PROFUNDOS EFECTOS EN LA FABRICACIÓN DE AERONAVES
El profesor de Procesamiento Avanzado de Materiales de la Universidad de Sheffield, Martin Jackson, es una persona con una perspectiva interna de tales cambios y experto de renombre mundial en materia de aleaciones de titanio. Ha trabajado en la industria aeronáutica durante más de 25 años, pero a medida que el sector se encamina hacia un objetivo de fabricación de emisiones netas de cero carbono, Jackson sostiene que: “No hay mejor momento para ser un científico de materiales”.
Aquí, el profesor Jackson explica algunas de las tendencias actuales en la fabricación aeronáutica:
La industria de la aviación apunta a las emisiones netas de cero carbono para 2050, pero los aviones comerciales de propulsión eléctrica o de hidrógeno todavía están lejos de este objetivo. Los OEM aeronáuticos deben encontrar formas de producir aviones con un menor consumo de combustible, lo que implica materiales más ligeros pero más fuertes, y eso crea desafíos.
“Estamos explorando el uso de aleaciones de alta gama como el titanio, súper aleaciones con base níquel y aceros de alta resistencia para aumentar la temperatura de combustión en el motor aerodinámico, haciéndolo más eficiente”, explica Jackson.
“ESO ES TODO LO QUE SE LE PIDE A UN REACTOR EN VUELO, PERO TAMBIÉN PODER FABRICARSE Y PROCESARSE. ESTOS MATERIALES SON COSTOSOS Y DIFÍCILES DE MECANIZAR. EL MECANIZADO ES PROBABLEMENTE EL PROCESO MÁS IMPORTANTE Y COSTOSO DE LA FABRICACIÓN DE UNA TURBINA A REACCIÓN”.
La industria aeronáutica fabrica actualmente con un mayor número de aleaciones mecanizables. Estos no son tan fuertes, pero ofrecen una mejor maquinabilidad, requieren menos uso de herramientas y dan como resultado mejores tasas de extracción de metal para una forma casi definitiva.
“Aquí es donde Seco es realmente un socio que aporta valor”, dice Jackson. “Están desarrollándose excelentes herramientas y recubrimientos para solventar estos problemas y mecanizar estos componentes en formas casi definitivas”.
Los discos de turbina de alta presión se fabrican ahora a partir de polvo a través de la fabricación aditiva (impresión 3D). Es un nuevo enfoque inteligente para un problema antiguo de la química.
“Las superaleaciones con base níquel en los componentes del disco del motor de turbina de gas son muy difíciles de fundir porque la química es muy variable desde el centro al filo”, explica Jackson. “Tratar de homogeneizar eso a través de la forja es difícil”.
“Al usar polvo, los fabricantes pueden obtener una química más homogénea y luego centrar ese polvo a través del prensado isostático en caliente”.
Sin embargo, aunque el titanio es costoso de derretir y forjar, el profesor Jackson considera que no se renderizará en forma de polvo a corto plazo.
“Una versión en polvo de titanio no es buena debido a las partículas que se dispersan y que causarían problemas más adelante”.
Por lograr aviones sostenibles, la industria aeronáutica no debe descuidar la fabricación sostenible.
“También necesitamos hacer que el proceso de fabricación y la cadena de suministro sean más sostenibles, con menos uso de herramientas, además de un mecanizado más rápido con menos energía y el empleo de menos fluido de corte”.
La forja de un un bloque motor en la fabricación de motores a reacción para el sector de la aeronáutica puede representar hasta un 90% del mecanizado, con tan solo el 10% del material utilizado para el avión. La industria tradicionalmente ha entregado la viruta a los comerciantes de chatarra, pero ahora se le está presionando para que la recicle de manera más efectiva. Los estándares de seguridad y rendimiento impiden que esta viruta se reutilice en motores aeronáuticos, pero es lo suficientemente robusta para su uso en otros sectores, como el del automóvil.
“Actualmente se está dando un verdadero impulso, especialmente en el Reino Unido, para lograr un mejor reciclaje. La industria tiene que ser parte de ese viaje y ayudar a la cadena de suministro a reciclar”, dice Jackson.
Un área clave de investigación para el equipo de Martin Jackson son los efectos del mecanizado en la integridad estructural de las piezas de los aviones. El desafío radica en conciliar el mecanizado rápido y efectivo para satisfacer los márgenes de costes de los OEM y garantizar a su vez la vida útil de los componentes para estas características críticas de seguridad.
“Hay un equilibrio, y Seco es muy bueno en esto. No se dedica simplemente a proporcionar herramientas sin más, sino que forma parte de todo este viaje”, continúa Jackson.
“Trabajo mucho con Rachid M’Saoubi y su equipo en Seco, y estamos estudiando formas de usar la tecnología para proporcionar 'huellas digitales' y 'pasaportes digitales' para los materiales. Seco busca conocer los efectos en el componente de sus herramientas, en términos de daños microestructurales y superficiales, así como la vida útil de ese componente en la práctica.
“SE TRATA DE PROPORCIONAR SOLUCIONES DE HERRAMIENTAS Y NO SOLO LA HERRAMIENTA EN SÍ COMO PRODUCTO. ¿CÓMO DEBE PROCESARSE LA PIEZA? ESTAMOS OBSERVANDO DIFERENTES VOLÚMENES DE EXTRACCIÓON DE VIRUTA, AVANCES Y VELOCIDADES DE CORTE; NO SOLO EL EFECTO EN LA VIDA ÚTIL DE LA HERRAMIENTA.
“La vida útil de la herramienta o plaquita puede incrementarse de 10 a 15 minutos, pero ¿qué consecuencias tiene esto sobre la pieza y cómo podemos conseguirlo? Buscamos conocer la integridad estructural de esa pieza cuando entra en el motor”.
Seco Tools trabaja muy de cerca con los usuarios finales y los proveedores de materiales para garantizar que reciben herramientas eficientes a la hora de eliminar material de manera rentable y sin causar daños.
“Los OEM aeronáuticos gastan 100 M£ (112 M€) al año solo en herramientas de fresado. El hecho de lograrse pequeñas reducciones de tiempo en el uso de una herramienta de Seco, incluso un par de minutos en algunos casos, puede tener un gran impacto en el transcurso de un año”.
Martin Jackson afirma que en los últimos cinco años han visto un enfoque mucho más colaborativo dentro de la industria.
“Se ha visto que en los primeros niveles de elaboración técnica, tanto el fabricante de las herramientas, como el proveedor de las mismas, el proveedor de materiales y el usuario final deben trabajar juntos en la misma dirección.
“Ha habido una gran creación de consorcios, sin egos, permitiendo así acelerar la investigación. Por ejemplo, nuestro equipo de la Universidad de Sheffield ha trabajado en varios proyectos conjuntamente con Seco, Rolls-Royce y Timet, el productor británico de titanio para motores aeronáuticos.
“Diferentes partes interesadas vienen con diferentes demandas, y esto siempre genera una tensión saludable entre el ingeniero de vida, que trabaja con Seco velando por que las herramientas no provoquen ningún daño a la pieza, y el ingeniero de fabricación que está bajo presión para producir la mayor cantidad de estos discos de alta presión. Pero si esto puede gestionarse, también puede acelerarse la investigación y el desarrollo”.
Los motores aeronáuticos de turbina de gas estarán disponibles durante algunos años más. Martin Jackson cree que Seco Tools puede contribuir a seguir encaminando a la industria hacia vías más rentables y sostenibles.
“Creo que Seco tiene un “fino olfato” en términos de conocimiento de los efectos de las herramientas en la integridad estructural. También creo que existe una conciencia sobre dónde se situarán los próximos procesos como, por ejemplo, la fabricación aditiva. “Seco va un paso por delante en comparación con otros proveedores de herramientas, ya que parecen tener conciencia de lo que asoma en el horizonte. Algunos de los proyectos que están llevando a cabo con nosotros se centran precisamente en estos procesos emergentes, para conocer cuáles serían las necesidades de herramientas.
“Y Seco Tools siempre aparece en las conversaciones cuando se trata de discutir y examinar los procesos emergentes para lo que sería el próximo propuldor que impulse los motores aeronáuticos”.
