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Tecnologia Mill-turn per un volo più efficiente

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La risposta della Hermle alle impegnative sfide della produzione di componenti del motore simmetrici in rotazione, come i blisk, è rappresentata dalle varianti di fresatura-tornitura dei suoi centri di lavorazione High-Performance.

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Minor consumo di carburante, meno emissioni e molto meno rumore - quando si tratta di raggiungere questi obiettivi negli aerei, l'attenzione principale è sui loro motori. Geometrie complesse, materiali altamente resistenti e un monitoraggio ininterrotto del processo sono fattori decisivi per la sicurezza e il progresso della produzione. La risposta della Hermle alle impegnative sfide della produzione di componenti del motore simmetrici in rotazione, come i blisk, è rappresentata dalle varianti di fresatura-tornitura dei suoi centri di lavorazione High-Performance.

"Ruota!" - Questo comando viene impartito quando la velocità di un aereo gli dà abbastanza portanza per iniziare il processo di decollo. Tra le altre cose, questo richiede un certo design dell'ala e i giusti flussi d'aria intorno ad essa. Questi, a loro volta, sono generati dalla spinta dei motori dell'aereo. Dalla metà del secolo scorso, la maggior parte degli aerei è dotata di motori a turboventola (detti anche propulsori a tangenziale). Come in tutti i motori a reazione, la potenza propulsiva proviene dall'aria forzata contro la direzione di marcia. In un motore turbofan, c'è una ventola di fronte al compressore di diametro minore e alla camera di combustione. La ventola è ciò che si può vedere del motore dall'esterno. Questa ventola soffia una gran parte dell'aria di aspirazione oltre il nucleo di propulsione, dando un contributo alla spinta totale del motore. La ventola è azionata dall'unità di propulsione del nucleo, quindi quest'ultima fornisce solo una parte della spinta direttamente, mentre il resto è fornito indirettamente attraverso la ventola

I moderni motori aerei hanno diversi alberi e un sistema di ingranaggi che permette al ventilatore e alla turbina di avere diverse velocità di rotazione. Lo sviluppo e la graduale ottimizzazione dei design dei turboventilatori ha portato a notevoli miglioramenti nell'efficienza del carburante e nelle prestazioni. Uno dei fattori più importanti è il rapporto di bypass che quantifica la quantità d'aria che passa davanti alla turbina rispetto alla quantità d'aria che la attraversa. Mentre i motori moderni hanno ora un rapporto di bypass nell'ordine di 10:1, quelli più vecchi operano ancora a circa 5:1. In futuro, i progetti dei motori permetteranno un rapporto di bypass di 15:1 e un consumo di carburante ed emissioni acustiche significativamente inferiori.

PROGRESSO TECNOLOGICO

Anche se l'attuale crisi della Corona ha causato una massiccia riduzione del traffico aereo, non c'è dubbio che rimarrà un importante mezzo di trasporto di persone e merci. Secondo l'associazione tedesca dell'aviazione, più di 248 milioni di passeggeri aerei sono arrivati o hanno lasciato gli aeroporti tedeschi nel 2019, e sono state gestite oltre 4,9 milioni di tonnellate di merci aeree. È difficile dire quanto tempo ci vorrà per raggiungere cifre simili dopo la fine della crisi. Ma non c'è dubbio che ad un certo punto aumenteranno di nuovo. Il futuro dell'industria aeronautica dipende sia dagli aspetti economici che da quelli ecologici. Gli obiettivi primari sono la riduzione del consumo di carburante, l'emissione di sostanze inquinanti e i livelli di rumore. Il Consiglio consultivo per la ricerca aeronautica in Europa (ACARE), i cui membri sono reclutati dalla Commissione europea e dalle industrie aerospaziali, ha formulato obiettivi di sviluppo concreti come parte della sua strategia di ricerca e innovazione: Secondo "Flightpath 2050", le emissioni di CO2 devono essere ridotte del 75% e le emissioni di NOx del 90% per chilometro passeggero entro il 2050. ACARE spinge anche per una riduzione del 65% dell'inquinamento acustico.

Per raggiungere questi obiettivi, i progettisti di aerei e propulsori stanno lavorando per migliorare l'aerodinamica e il peso degli aerei, i motori e il carburante stesso. Di questi elementi, i motori saranno probabilmente quelli che daranno il maggior contributo per vincere la sfida. Per andare un po' più in dettaglio: Due parametri fisici sono di particolare rilevanza, l'efficienza di spinta e l'efficienza termica. I sistemi a bassa pressione di recente sviluppo aiutano ad aumentare il rapporto di bypass, rendendo possibile una maggiore spinta con un minore consumo di carburante. Oltre ad altri approcci, gli sviluppatori stanno esplorando i limiti teorici dell'efficienza termica sfruttando pressioni più elevate, temperature o indici di efficienza dei componenti in unità di potenza del nucleo innovative. Qui le temperature possono superare i 2000 °C. I livelli di rumore vengono ridotti modificando la forma e il numero di pale della ventola, tra le altre cose.

SOLLECITAZIONI IN CONTINUO AUMENTO

Geometrie più complesse, pressioni più elevate e temperature più esigenti - ogni progresso nella progettazione dei gruppi elettrogeni è accompagnato da maggiori esigenze sui componenti, in altre parole sui materiali e sui processi di produzione. La Maschinenfabrik Berthold Hermle AG si è fatta un nome con le sue fresatrici e centri di lavorazione ad alta precisione. Nel 2010, lo specialista della truciolatura ha presentato al mondo la sua prima macchina MT (fresa-tornio): la C 42 U MT. Martin Wener, responsabile del Key Account Management di Hermle, ricorda: "Quello è stato il momento in cui siamo entrati in grande stile nel settore aerospaziale. Prima di allora non avevamo dato particolare importanza a questo mercato, anche se naturalmente le nostre fresatrici erano già in uso presso i produttori di motori" La tecnologia MT ha permesso a Hermle di servire nuovi clienti, tra cui gli sviluppatori di motori, e ora il settore aerospaziale rappresenta oltre il 10% del fatturato totale dell'azienda

Per Wener, il segreto del successo sta nella doppia capacità della macchina: "Mentre il materiale viene fresato, può anche essere ruotato. Questo ci dà un grande vantaggio rispetto ai torni convenzionali" La capacità di rotazione simultanea significa che possono essere utilizzati utensili più corti e quindi più rigidi. Inoltre, è anche possibile lavorare contorni complessi con un solo utensile. "Quindi i nostri utenti hanno bisogno di meno utensili, e possono essere utensili standard. Questo permette loro di risparmiare notevolmente sugli investimenti", spiega Wener

Altrettanto importanti sono gli aspetti di precisione, stabilità e accuratezza a lungo termine. Una serie di motori può durare a lungo, fino a 20 anni. I produttori si aspettano che le nostre macchine corrispondano a questo con specifiche di precisione e affidabilità altrettanto lunghe, fino all'ultimo pezzo da lavorare", dice Wener. "Considerando quanto possano essere difficili da lavorare alcuni materiali come l'Inconel o i materiali resistenti alle alte temperature progettati su misura, e quanto siano complesse le geometrie a 5 assi lavorate sulle nostre macchine, si tratta di sfide molto impegnative" E anche se la disponibilità di pezzi di ricambio è importante in tutti i settori, i requisiti relativi all'uniformità della macchina sono particolarmente severi nell'industria aerospaziale. Wener spiega: "Anche quando un progetto si estende per diversi anni, siamo in grado di dare ai nostri clienti la garanzia che tutte le macchine che costruiamo e forniamo in un determinato lasso di tempo sono identiche - indipendentemente da eventuali aggiornamenti software o modifiche del sistema hardware che possono essere stati introdotti" È qui che il concetto di standardizzazione di Hermle segna un punto a sfavore dei progetti di macchine speciali.

UNA MACCHINA, DUE TECNICHE

Hermle fornisce attualmente tre macchine High-Performance Line come varianti MT: la C 42 U, la C 52 U e la C 62 U. Queste consentono ai clienti di eseguire la lavorazione rotazionale simultanea su pezzi fino a un diametro di 1200 millimetri e un'altezza di 900 millimetri. I seguenti pesi massimi non devono essere superati: 700 kg (C 42 U MT), 1000 kg (C 52 U MT) e 1500 kg (C 62 U MT). Questa restrizione è dovuta all'enorme momento di rotazione. La costruzione rigida che è essenziale per la lavorazione in rotazione è comunque standard sulle macchine Hermle. Tuttavia, uno sviluppo che è stato certamente influenzato in modo significativo dalle applicazioni aerospaziali è il precarico idraulico del cuscinetto per il mandrino. "Il mandrino è l'anello più debole dell'intero sistema. Ecco perché abbiamo sviluppato un sistema di rigidità che risponde alla velocità di rotazione", spiega Wener. Il carico del cuscinetto viene regolato automaticamente dal sistema di controllo: A velocità di rotazione più basse, il sistema del mandrino è reso significativamente più rigido - vale a dire quando la macchina deve lavorare materiali difficili da trattare. Inoltre, i gruppi di cuscinetti ricevono un supporto idraulico extra a basse velocità. Man mano che la velocità aumenta, la pressione idraulica viene ridotta, fino a quando il precarico del cuscinetto è determinato solo dal gruppo molla

SENSORI PER LA SICUREZZA OPERATIVA

Quando si tratta di lavorare componenti del motore, il monitoraggio del processo costituisce un altro fattore essenziale. Se il processo non viene eseguito rigorosamente secondo le specifiche, le conseguenze possono essere letteralmente catastrofiche. Parte di tale monitoraggio include la documentazione dettagliata di ogni fase di produzione. "Un esempio di questo può essere visto nel monitoraggio del refrigerante. Questo fornisce la conferma che il refrigerante era sempre presente durante le operazioni di foratura. Se questo non è il caso, cioè se il flusso del liquido di raffreddamento viene interrotto in qualche fase, ci sarebbe uno stress termico localizzato che potrebbe portare a cambiamenti nelle proprietà del materiale. Questo, a sua volta, potrebbe portare a un guasto in una fase operativa successiva", spiega Wener. Ecco perché i sensori sono integrati nelle macchine per monitorare le pressioni e le portate nel circuito di raffreddamento centrale. I dati generati nel corso del monitoraggio del processo sono poi collegati al componente stesso.

Un esempio di tale componente è il cosiddetto 'blisk'. Il termine blisk è una parola portmanteau che deriva da 'blade integrated disk'. Invece di fare un pezzo di turbina montando le pale su un disco, l'intero componente viene prodotto come un unico pezzo. Questo riduce significativamente il lavoro di assemblaggio, così come i costi e il peso. La lavorazione di un disco può richiedere fino a 20 ore. La strategia di lavorazione rappresenta una sfida in sé, perché le lunghe lame non devono iniziare ad oscillare durante il processo. Un altro fattore da tenere in considerazione è l'usura degli utensili. Come dice il responsabile del Key Account Management della Hermle: "È qui che i nostri clienti traggono vantaggio dai nostri sistemi di automazione degli utensili" La lavorazione di materiali problematici comporta tassi di usura molto elevati. "Il cambio automatizzato degli utensili consente spesso di migliorare notevolmente l'efficienza", dice Wener. A causa dei lunghi tempi di lavorazione, viene utilizzato un cambio pallet per alimentare automaticamente i centri di lavorazione

Quando la lavorazione è completa, il produttore di motori ha un blisk del valore di 100.000 euro pronto per essere assemblato - a parte un'ulteriore fase di produzione per sigillare la superficie. Il feedback positivo dei clienti non riguarda solo la qualità della lavorazione, tuttavia: "I clienti spesso ci fanno sapere che si sentono molto ben assistiti da noi", aggiunge Martin Wener. Questo inizia con un'attenta considerazione dei desideri dei clienti, continua con i consulenti di tecnologia applicativa della Hermle che collaborano con gli utenti per trovare rapidamente delle soluzioni ed eseguono anche prove di fresatura in breve tempo, e viene completato da un livello di assistenza che viene spesso considerato un punto di riferimento per il settore.

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