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Se presenta una de las mayores piezas metálicas aeroespaciales impresas en 3D de la historia

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Un consorcio europeo liderado por GE Aerospace Advanced Technology de Múnich ha presentado una de las mayores piezas aeroespaciales metálicas impresas en 3D de la historia y demuestra un importante ahorro de costes, peso y tiempo.

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El Pacto Verde Europeo de la UE establece la necesidad de reducir las emisiones del transporte en un 90% de aquí a 2050, en comparación con los niveles de 1990, y el sector de la aviación desempeña su papel. Las medidas políticas y los esfuerzos del sector desde 2005 han permitido aumentar la eficiencia del combustible por pasajero. Las prioridades de cara al futuro incluyen medidas financieras y normativas para impulsar una aviación de bajas emisiones y el desarrollo urgente de estructuras de chapa limpia, nuevos motores y sistemas de propulsión de aeronaves y combustible de aviación sostenible.

Una importante iniciativa de investigación en curso para desarrollar este tipo de tecnologías de transporte aéreo más eficientes en cuanto a consumo de combustible para su más pronta implantación es el Programa Clean Sky 2, financiado por la Comisión Europea y la industria aeroespacial europea, que está entrando en su fase final. Su sucesor, Clean Aviation, se puso en marcha en diciembre de 2021.

El programa Clean Sky 2 está formado por actores clave de la industria y expertos en la materia, junto con organismos de investigación académica de toda Europa. El programa está integrando, demostrando y validando tecnologías capaces de reducir las emisiones de CO2, así como las de óxido nitroso (NOx) y las de ruido hasta un 30% en comparación con los aviones de "última generación" de 2014. Otro objetivo es desarrollar una industria aeronáutica y una cadena de suministro fuertes y competitivas a nivel mundial en Europa.

Con sede en Múnich (Alemania), el equipo de GE Aerospace Advanced Technology (GE AAT) de Múnich dirige tres asociaciones principales en el programa Clean Sky 2 para identificar el hardware del motor, los beneficios, el diseño, el proceso de fabricación y, en relación con los objetivos del programa, colaborar estrechamente con los centros de GE Aerospace en Italia, República Checa, Polonia y Turquía, así como con socios externos.

Cambiando el juego de las grandes piezas metálicas aditivas

Una de las asociaciones lideradas por GE AAT Múnich es el Proyecto de Tecnología de Turbinas (TURN), creado para acelerar la maduración de la tecnología de los futuros motores aéreos.

Y en respuesta a una convocatoria de propuestas de Clean Sky 2, en 2018 un consorcio de la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH), la TU Dresden (TUD) y la empresa tecnológica Autodesk, fue seleccionado para apoyar a GE AAT Múnich en el diseño y la fabricación de un componente de fabricación aditiva de metal a gran escala, la carcasa del Centro de Turbina Integrado Aditivo Avanzado (TCF), el proyecto MONACO. Esto incluía también el diseño y la producción de cupones y piezas críticas, la validación y la cualificación, y la entrega final de la carcasa metálica impresa en 3D a tamaño completo.

Tras casi seis años de I+D e ingeniería, el diseño de la carcasa TCF de gran formato que utiliza la tecnología Direct Metal Laser Melting (DMLM) de GE Additive en aleación de níquel 718 fue presentado recientemente por el consorcio. La carcasa TCF es una de las piezas más grandes fabricadas de forma aditiva para la industria aeroespacial.

La carcasa TCF de fabricación aditiva está diseñada para motores de fuselaje estrecho en los que la pieza tiene un diámetro de aproximadamente un metro o más. Disponer de esta solución de diseño de una sola pieza para producir este tipo de piezas de motor de gran formato con un coste, peso y plazo de fabricación reducidos supone una ventaja comercial competitiva.

"Queríamos reducir el peso de la pieza en un 25%, pero también mejorar las pérdidas de presión del flujo de aire secundario, así como una fuerte reducción del número de piezas para mejorar el mantenimiento", dijo el Dr. Günter Wilfert, director de tecnología y operaciones de GE AAT Munich.

"El equipo puede estar orgulloso de los resultados. Con la impresión final de la carcasa completa, pudieron comprobar los valores. Los objetivos se alcanzaron y se superaron. Al final pudimos reducir el peso en un ~30%". El equipo también redujo el plazo de fabricación de nueve meses a dos meses y medio, aproximadamente un 75%. Más de 150 piezas separadas que componen la carcasa del bastidor central de una turbina convencional se han consolidado en un diseño de una sola pieza", añadió.

Para asegurarse de que se cumplían todos los requisitos de ingeniería, incluido un beneficio de rendimiento del 0,2% en el consumo específico de combustible, el diseño fue revisado por expertos de todo el equipo para el nivel de preparación tecnológica (TRL) y el nivel de preparación de fabricación (MRL) 4 y se realizaron múltiples pruebas de fabricación para cumplir con la calidad del hardware e incorporar la fabricabilidad del MRL4.

Reducción de la dependencia de las piezas de fundición y de las aplicaciones futuras

Al margen de las ventajas medioambientales, de rendimiento, de peso, de coste y de reducción de material de desecho de esta nueva pieza, quizá el mayor impacto sea la alteración de la cadena de suministro en todas las industrias que se enfrentan a problemas con sus piezas de fundición en la fabricación convencional.

El bastidor central de la turbina, un componente inherente a los modernos motores de avión turbofán, sirve de conducto para el gas caliente que fluye desde la turbina de alta presión hacia la de baja presión. Normalmente, se fabrican mediante fundición y/o forja, seguidas de pasos adicionales de mecanizado.

Debido a los estrictos requisitos de aeronavegabilidad de la industria aeroespacial, muy regulada, el número de proveedores autorizados de piezas de fundición y forja es muy limitado. Esto genera largos plazos de entrega y altos costes. Estos retos, y el hecho de que el bastidor central de una turbina no es una pieza giratoria, lo convierten en un candidato ideal para la fabricación aditiva.

Esta nueva solución de diseño de fabricación aditiva para bastidores de motores no se limita a los bastidores centrales de turbina de los futuros motores, sino que puede aplicarse a los bastidores centrales de motores existentes y heredados. Las características de diseño propuestas también pueden transferirse y/o escalarse a los bastidores traseros de las turbinas (TRF), a las carcasas de las turbinas de baja presión y a los bastidores medios de las turbinas (TMF).

"La gente ya quiere saber cómo se ha fabricado esta pieza y cómo el diseño y la tecnología podrían trasladarse a sus industrias. Nuestra estrategia en todo momento fue asegurarnos de que el diseño del componente cumpliera los requisitos de la ingeniería aeroespacial y los objetivos de Clean Sky 2, pero que pudiera trasladarse fácilmente a otros motores de segmentos similares, y a negocios y sectores adyacentes", dijo Ashish Sharma, ingeniero principal avanzado del equipo de GE AAT.

"La fabricación aditiva ofrece un enorme potencial para disminuir el peso, mejorar las funcionalidades de los componentes y reducir sustancialmente el número de piezas en montajes complejos, aumentando directamente la eficiencia energética de los aviones y reduciendo los costes y el tiempo de montaje", dijo Christina-Maria Margariti, responsable del proyecto de aviones propulsados por hidrógeno para Clean Aviation.

"El programa Clean Aviation, en consonancia con el objetivo de neutralidad de carbono de la UE para 2050, apoya el lanzamiento de nuevos productos disruptivos para 2035, con el objetivo de sustituir el 75% de la flota operativa para 2050. Por lo tanto, la aceleración del tiempo de comercialización y el aumento de las tasas de producción serán cruciales para alcanzar estos ambiciosos objetivos medioambientales", añadió.

Colaboración entre la industria y el mundo académico

El equipo del consorcio considera su trabajo, y la pieza en sí, como un potencial cambio de juego en el uso de la fabricación aditiva de metales para la futura producción de grandes piezas para motores de aviones comerciales.

Sharma ha dirigido el proyecto y el consorcio desde su inicio. "Al principio, la ingeniería parecía casi imposible, pero aprovechando las tecnologías aditivas avanzadas y ampliando los límites que nos permitían alcanzar un diseño que sólo estaba en nuestra imaginación y muy lejos de una realidad nunca antes pensada", dijo Sharma.

Sharma dijo que ha sido un logro enorme y que refleja, desde el principio, el talento y el empuje de los miembros del consorcio. "El equipo es inteligente. Reunir a todo el mundo y poner en marcha estructuras de apoyo para la construcción que eran poco convencionales significó que optimizamos no sólo el hardware sino nuestros procesos. Fue maravilloso ver la colaboración, que todos los miembros con diferentes antecedentes trabajaran juntos. Este aspecto fue único"

La participación del mundo académico ha sido fundamental para el éxito general del proyecto, ya que les ha permitido formar parte de un gran programa tecnológico europeo colaborando estrechamente con la industria, utilizando su infraestructura y madurando diferentes tecnologías.

Todo el mundo, dijo Sharma, tenía su papel que desempeñar. "La Universidad Tecnológica de Hamburgo tiene una máquina GE Additive M2 instalada en el campus, y su experiencia en la creación de prototipos fue inestimable, mientras que el equipo de la Universidad Técnica de Dresde se encargó de la validación y la construcción de un banco de pruebas específico. Autodesk optimizó el proceso de diseño para la fabricación aditiva y, por último, GE Additive nos apoyó imprimiendo la pieza con su máquina A.T.L.A.S.

"Contar con un equipo con tanto talento y experiencia en aditivos aportó muchas ideas y conceptos nuevos en los fundamentos que no se nos habrían ocurrido necesariamente si hubiéramos trabajado en nuestros equipos individuales. Hubo mucho ingenio", añadió.

El proyecto empleó una configuración de bucle de iteración multidisciplinar para diseñar el hardware y aprovechó los conceptos, procesos y herramientas de fabricación ajustada para reducir el tiempo de iteración del diseño. Se estudiaron e introdujeron muchas características y soluciones de diseño innovadoras y creativas para reducir la presión, el gradiente térmico y la tensión.

El Dr. Dirk Herzog, catedrático interino del Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik de la TUHH, dijo: "Debido al tamaño de la pieza, era necesario evaluar primero los conceptos de diseño mediante la fabricación de segmentos, validar su rendimiento y, a partir de ahí, aprender a transferirlos a escala real. Todos los miembros del equipo han invertido mucho esfuerzo a lo largo de los últimos tres años y medio para avanzar hasta el punto en que estábamos plenamente seguros de tener el diseño y el proceso DMLM listos para la impresión final. Ver por fin la pieza física construida con éxito es muy gratificante"

Al principio del programa TURN, GE AAT Múnich exploró el espacio de diseño y realizó múltiples estudios comerciales aprovechando tecnologías avanzadas como la fabricación aditiva. El equipo de GE AAT Múnich fue capaz de establecer un plan de maduración tecnológica para avanzar en el arte de fabricar cajas TCF.

Por último, cuando el consorcio empezó a apoyar el plan de maduración tecnológica, AutoDesk aportó herramientas avanzadas para optimizar el diseño aditivo, la TUHH añadió una máquina aditiva para las pruebas de impresión iniciales y los expertos de la TUD construyeron un equipo aerotérmico con dispositivos de instrumentación de última generación para la validación, que se combina para dar resultados satisfactorios en el primer intento de entregar una caja TCF aditiva de 3600 piezas con éxito.

"El mayor reto de la validación del hardware fabricado aditivamente es que no se nos permite aumentar o reducir la escala, ya que esto cambia el acabado de la superficie, lo que se refleja en los datos de medición traducidos al producto. Aportamos nuestra experiencia única en la comprobación de ensayos de impresión para la resistencia mecánica, la emisividad térmica y la validación aerotérmica", dijeron Thomas IIzig, Eike Dohmen y Sarah Korb, del equipo de científicos de la TUD.

"El equipo siguió adelante y diseñó y fabricó una novedosa sonda de tres orificios para medir la pérdida de presión en la carcasa TCF aditiva, que demostró una reducción de alrededor del 90% en la pérdida de presión en comparación con un diseño convencional. La carcasa TCF se sometió a exhaustivas pruebas aerotérmicas y mecánicas para cumplir los requisitos de ingeniería", añadieron.

El papel de Autodesk en esta investigación consistió en desarrollar una carcasa de marco central de turbina ligera y de alto rendimiento mediante la optimización del rendimiento estructural y de los fluidos, contribuyendo al mismo tiempo a consolidar más de 150 piezas en un único componente. El equipo de Autodesk desempeñó un papel decisivo a la hora de afrontar los retos de diseño del componente utilizando sus herramientas de software para cumplir los requisitos del programa.

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