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Presentata una delle più grandi parti aerospaziali mai stampate in metallo in 3D
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Un consorzio europeo guidato da GE Aerospace Advanced Technology di Monaco ha presentato una delle più grandi parti aerospaziali in metallo mai stampate in 3D, dimostrando un significativo risparmio di costi, peso e tempo.
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L'European Green Deal dell'UE stabilisce la necessità di ridurre le emissioni dei trasporti del 90% entro il 2050, rispetto ai livelli del 1990, e il settore dell'aviazione farà la sua parte. Dal 2005 le azioni politiche e gli sforzi dell'industria hanno portato a una maggiore efficienza del carburante per passeggero. Le priorità per il futuro includono misure finanziarie e normative per promuovere un'aviazione a basse emissioni e l'urgente sviluppo di telai con lamiere pulite, nuovi motori e sistemi di propulsione per aeromobili e carburante per l'aviazione sostenibile.
Un'importante iniziativa di ricerca in corso per sviluppare questi tipi di tecnologie per il trasporto aereo più efficienti dal punto di vista dei consumi, da utilizzare il prima possibile, è il programma Clean Sky 2, finanziato dalla Commissione europea e dall'industria aerospaziale europea, che sta entrando nella sua fase finale. Il suo successore, Clean Aviation, è stato lanciato nel dicembre 2021.
Il programma Clean Sky 2 è composto da attori chiave dell'industria e da esperti in materia, oltre che da enti di ricerca accademici in tutta Europa. Il programma sta integrando, dimostrando e convalidando tecnologie in grado di ridurre le emissioni di CO2, protossido di azoto (NOx) e le emissioni acustiche fino al 30% rispetto agli aerei "all'avanguardia" del 2014. Un altro obiettivo è quello di sviluppare un'industria aeronautica e una catena di fornitura forti e competitive a livello globale in Europa.
Con sede a Monaco di Baviera, in Germania, il team GE Aerospace Advanced Technology (GE AAT) di Monaco di Baviera guida tre partnership fondamentali nel programma Clean Sky 2 per identificare l'hardware del motore, i vantaggi, la progettazione, il processo di produzione e, in relazione agli obiettivi del programma, collaborare strettamente con i siti GE Aerospace in Italia, Repubblica Ceca, Polonia e Turchia, nonché con partner esterni.
Cambiare il gioco per le parti additive in metallo di grandi dimensioni
Uno dei partenariati guidati da GE AAT Munich è il Turbine Technology Project (TURN), istituito per accelerare la maturazione della tecnologia per i futuri motori aeronautici.
In risposta a un bando Clean Sky 2, nel 2018 un consorzio composto dall'Università di Tecnologia di Amburgo (TUHH), dalla TU Dresda (TUD) e dall'azienda tecnologica Autodesk è stato selezionato per supportare GE AAT Munich nella progettazione e produzione di un componente di produzione additiva in metallo su larga scala - l'involucro del telaio del centro turbina integrato in modo avanzato (TCF) - il progetto MONACO. Il progetto comprendeva anche la progettazione e la produzione di coupon e parti critiche, la convalida e la qualificazione, nonché la consegna finale dell'involucro metallico stampato in 3D a grandezza naturale.
Dopo quasi sei anni di ricerca e sviluppo e di progettazione, il progetto dell'involucro TCF di grande formato, realizzato con la tecnologia Direct Metal Laser Melting (DMLM) di GE Additive in lega di nichel 718, è stato recentemente presentato dal consorzio. L'involucro del TCF è uno dei più grandi pezzi prodotti in modo additivo per l'industria aerospaziale.
L'involucro del TCF, prodotto in modo additivo, è progettato per motori a fusoliera stretta, in cui il pezzo ha un diametro di circa un metro o più. La soluzione di progettazione in un unico pezzo per produrre questo tipo di hardware per motori di grande formato con costi, peso e tempi di produzione ridotti offre un vantaggio commerciale competitivo.
"Volevamo ridurre il peso del pezzo del 25%, ma anche migliorare le perdite di pressione del flusso d'aria secondario e una forte riduzione del numero di pezzi per migliorare la manutenzione", ha dichiarato il Dr. Günter Wilfert, responsabile tecnologico e operativo di GE AAT Munich.
"Il team può essere orgoglioso dei risultati ottenuti. Con la stampa finale dell'involucro completo, sono stati in grado di dimostrare i valori. Gli obiettivi sono stati raggiunti e superati. Alla fine siamo riusciti a ridurre il peso di circa il 30%. Il team ha anche ridotto i tempi di produzione da nove mesi a due mesi e mezzo, di circa il 75%. Oltre 150 parti separate che compongono il telaio centrale di una turbina convenzionale sono state consolidate in un unico pezzo", ha aggiunto.
Per garantire il rispetto di tutti i requisiti ingegneristici, tra cui un vantaggio in termini di prestazioni pari allo 0,2% del consumo specifico di carburante, il progetto è stato esaminato da esperti di tutto il team per il Technology Readiness Level (TRL) e il Manufacturing Readiness Level (MRL) 4 e sono state eseguite diverse prove di produzione per soddisfare la qualità dell'hardware e incorporare la producibilità di MRL4.
Riduzione della dipendenza dai getti e applicazioni future
Al di là dei vantaggi ambientali, prestazionali, di peso, di costo e di riduzione dei materiali di scarto di questa nuova parte, forse l'impatto maggiore sarà l'interruzione della catena di fornitura in tutti i settori che devono affrontare problemi con le fusioni nella produzione convenzionale.
Il telaio centrale della turbina, un componente intrinseco dei moderni motori aeronautici turbofan, serve come condotto per il gas caldo che fluisce dalla turbina ad alta pressione alla turbina a bassa pressione. Convenzionalmente, vengono prodotti per fusione e/o forgiatura, seguiti da ulteriori fasi di lavorazione.
A causa dei severi requisiti di aeronavigabilità dell'industria aerospaziale, altamente regolamentata, il numero di fornitori approvati per la fusione e la forgiatura è molto limitato. Ciò comporta tempi di consegna lunghi e costi elevati. Queste sfide e il fatto che il telaio centrale di una turbina non è un pezzo rotante, lo hanno reso un candidato ideale per la produzione additiva.
Questa nuova soluzione di progettazione per la produzione additiva dei telai dei motori non si limita ai telai centrali delle turbine per i motori futuri, ma può essere sfruttata per i telai centrali dei motori esistenti e legacy. Le caratteristiche progettuali proposte possono essere trasferite e/o scalate anche ai telai posteriori delle turbine (TRF), agli involucri delle turbine a bassa pressione e ai telai centrali delle turbine (TMF).
"La gente vuole già sapere come è stato realizzato questo pezzo e come il progetto e la tecnologia possono essere applicati ai loro settori. La nostra strategia è sempre stata quella di assicurarci che il design del componente soddisfacesse i requisiti dell'ingegneria aerospaziale e gli obiettivi di Clean Sky 2, ma che potesse essere facilmente tradotto in altri motori di segmento simile e in attività e settori adiacenti", ha dichiarato Ashish Sharma, ingegnere capo avanzato del team GE AAT.
"La produzione additiva offre un enorme potenziale per ridurre il peso, migliorare le funzionalità dei componenti e ridurre in modo sostanziale il numero di parti negli assemblaggi complessi, aumentando direttamente l'efficienza energetica degli aeromobili e riducendo i costi e i tempi di assemblaggio", ha dichiarato Christina-Maria Margariti, responsabile del progetto per gli aeromobili alimentati a idrogeno per Clean Aviation.
"Il programma Clean Aviation, in linea con l'obiettivo del Green Deal dell'UE di neutralità delle emissioni di carbonio entro il 2050, sostiene il lancio di nuovi prodotti dirompenti entro il 2035, con l'obiettivo di sostituire il 75% della flotta operativa entro il 2050. Un più rapido time to market e un aumento dei tassi di produzione saranno quindi fondamentali per raggiungere questi ambiziosi obiettivi ambientali", ha aggiunto.
Collaborazione industria-università
Il team del consorzio considera il suo lavoro, e il pezzo stesso, come un potenziale cambiamento nell'uso della fabbricazione additiva dei metalli per la futura produzione di parti di grandi dimensioni per i motori degli aerei commerciali.
Sharma ha guidato il progetto e il consorzio fin dal suo inizio. "All'inizio, l'ingegneria sembrava quasi impossibile, ma sfruttando le tecnologie additive avanzate e spingendo i confini che hanno superato i nostri limiti, abbiamo realizzato un progetto che era solo nella nostra immaginazione e molto lontano da una realtà mai pensata prima", ha detto Sharma.
Sharma ha affermato che si tratta di un risultato enorme che riflette, fin dall'inizio, il talento e l'impegno dei membri del consorzio. "Il team è intelligente. Riunire tutti e creare strutture di supporto per la costruzione non convenzionali ha significato ottimizzare non solo l'hardware ma anche i nostri processi. È stato meraviglioso vedere la collaborazione, tutti con background diversi che lavoravano insieme. Questo aspetto è stato unico"
Il coinvolgimento delle università è stato fondamentale per il successo complessivo del progetto, consentendo loro di entrare a far parte di un grande programma tecnologico europeo collaborando strettamente con l'industria, utilizzando le loro infrastrutture e maturando diverse tecnologie.
Tutti, ha detto Sharma, hanno fatto la loro parte. "L'Università di Tecnologia di Amburgo ha una macchina GE Additive M2 installata nel campus e la loro esperienza nella prototipazione è stata preziosa, mentre il team della TU di Dresda è stato responsabile della convalida e della costruzione di un banco di prova dedicato. Autodesk ha ottimizzato il processo di progettazione per la produzione additiva e infine GE Additive ci ha supportato stampando il pezzo con la sua macchina A.T.L.A.S".
"Avere un team così talentuoso ed esperto di additivi ha portato molte nuove idee e concetti fondamentali a cui non avremmo necessariamente pensato se avessimo lavorato nei nostri singoli team. C'è stata molta ingegnosità", ha aggiunto.
Il progetto ha utilizzato un ciclo di iterazione multidisciplinare per progettare l'hardware e ha sfruttato i concetti, i processi e gli strumenti della Lean manufacturing per ridurre i tempi di iterazione del progetto. Sono state prese in considerazione molte caratteristiche e soluzioni progettuali innovative e creative, introdotte per ridurre la pressione, il gradiente termico e lo stress.
Il Dr. Dirk Herzog, professore ad interim presso l'Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik del TUHH, ha dichiarato: "A causa delle dimensioni del pezzo, è stato necessario valutare i concetti di progettazione producendo inizialmente dei segmenti, convalidare le loro prestazioni e da lì imparare a trasferirli su scala reale". Tutti i membri del team hanno investito molti sforzi nel corso degli ultimi tre anni e mezzo per arrivare al punto in cui eravamo pienamente fiduciosi di avere il progetto e il processo DMLM pronti per la stampa finale. Vedere finalmente la parte fisica costruita con successo è molto gratificante"
All'inizio del programma TURN, GE AAT Munich ha esplorato lo spazio di progettazione ed eseguito diversi studi commerciali sfruttando tecnologie avanzate come la produzione additiva. Il team di GE AAT Munich è stato in grado di definire un piano di maturazione tecnologica per far progredire l'arte della realizzazione di casse TCF.
Infine, quando il consorzio ha iniziato a sostenere il piano di maturazione tecnologica, AutoDesk ha portato strumenti avanzati per ottimizzare la progettazione additiva, TUHH ha aggiunto una macchina additiva per le prove di stampa iniziali e gli esperti di TUD hanno costruito un impianto aero/termico con dispositivi di strumentazione all'avanguardia per la convalida - che si fondono per dare risultati soddisfacenti al primo tentativo di consegnare un caso TCF additivo di 3600 pezzi singoli.
"La sfida più grande per la convalida dell'hardware prodotto in modo additivo è che non ci è consentito scalare verso l'alto o verso il basso, in quanto ciò modifica la finitura superficiale, che si riflette nei dati di misura tradotti in prodotto. Abbiamo contribuito con la nostra esperienza unica nel testare le prove di stampa per la resistenza meccanica, l'emissività termica e la convalida aero-termica", hanno dichiarato Thomas IIzig, Eike Dohmen e Sarah Korb, il team di scienziati di TUD.
"Il team ha progettato e realizzato un'innovativa sonda a tre fori per misurare la perdita di pressione sull'involucro TCF additivato, che ha dimostrato una riduzione di circa il 90% della perdita di pressione rispetto a un design convenzionale. L'involucro TCF è stato sottoposto a numerosi test aero-termici e meccanici per soddisfare i requisiti ingegneristici", hanno aggiunto.
Il ruolo di Autodesk in questa ricerca è stato quello di sviluppare un involucro centrale per turbine leggero e ad alte prestazioni, ottimizzando le prestazioni strutturali e dei fluidi e contribuendo a consolidare oltre 150 parti in un unico componente. Il team Autodesk è stato determinante nell'affrontare le sfide della progettazione dei componenti utilizzando gli strumenti software per soddisfare i requisiti del programma.
www.ge.com/additive