¿Por qué son tan difíciles de fabricar los motores de avión?
La aplicación más importante de la tecnología de fabricación aditiva se encuentra en el campo aeroespacial. La "Hoja de ruta de fabricación aditiva" de EE. UU. sitúa la demanda aeroespacial como el primer objetivo de aplicación industrial de la fabricación aditiva. Empresas aeroespaciales estadounidenses famosas como Boeing, GE, Honeywell y Lockheed Martin son todas empresas de fabricación aditiva de los Estados Unidos. Innovación (NAMII). En febrero de 2012, el gobierno australiano anunció su apoyo a un proyecto revolucionario en el campo aeroespacial, "Tecnología de fabricación aditiva de micromotores". En septiembre de 2012, el Grupo Especial de Expertos del Comité de Estrategia Tecnológica Británica también incluyó el sector aeroespacial como el principal campo de aplicación de la tecnología de fabricación aditiva en un informe especial titulado "Shaping our National Competency in Additive Manufacturing".
1 Ventajas de la tecnología de fabricación aditiva
Tomemos como ejemplo la tecnología de fabricación de impresión 3D. Como un alto grado de integración de la informatización y la tecnología de fabricación, la impresión 3D puede realizar estructuras complejas de alto rendimiento. Piezas metálicas sin molde, rápidas, completamente densas y de forma casi neta, especialmente para piezas reparadas y conformadas tridimensionales con láser, sus propiedades mecánicas son equivalentes a las de las piezas forjadas, lo que la convierte en el mejor enfoque de nueva tecnología para abordar los desafíos técnicos. en los campos de motores aeroespaciales y turbinas de gas. En comparación con la tecnología de fabricación tradicional, la tecnología de impresión 3D tiene las siguientes diez ventajas potenciales.
(1) Reducir los costes de fabricación. Para la fabricación tradicional, cuanto más compleja sea la forma del producto, mayor será el coste de fabricación. La impresión 3D no consumirá más tiempo ni costes debido al aumento de la complejidad de las formas de los productos. Sin duda, la impresión 3D tiene ventajas a la hora de fabricar un gran número de piezas de formas complejas para motores aeronáuticos en busca de rendimiento.
(2) Adecuado para la diversificación de productos. El motor aeroespacial en sí es un producto "probado" y el proceso de desarrollo requiere repetidas modificaciones del diseño. Tradicionalmente, cada ronda de mejora requiere modificaciones en el molde y aumenta los costos de fabricación no requiere modificaciones del molde en respuesta a los cambios. la forma del producto.
(3) Minimizar el montaje y reducir el peso. A través del diseño de optimización de la topología, la impresión 3D puede imprimir piezas combinadas, reducir el ensamblaje del producto y reducir el peso del producto.
(4) Entrega instantánea. La impresión 3D puede imprimir bajo demanda, acortando así en gran medida el ciclo de producción de prueba de algunas piezas de ciclo largo de motores aeroespaciales.
(5) Ampliar el espacio de diseño. Limitados por los métodos de fabricación tradicionales, los productos solo pueden diseñarse en función de la viabilidad del proceso. Por ejemplo, la forma de los orificios del molde de aire en las palas de las turbinas de los motores aeroespaciales solo puede ser circular. La impresión 3D permite diseñar los orificios del molde de aire de las palas de las turbinas en elipses u otras formas arbitrarias de acuerdo con los requisitos del efecto de enfriamiento.
(6) Reducir los requisitos de habilidades. Tradicionalmente, la fabricación de muchas piezas de motores aeroespaciales ha impuesto altas exigencias a las habilidades del operador, e incluso ha habido casos en los que las piezas individuales sólo pueden ser fabricadas por una o unas pocas personas. La impresión 3D obtiene varias instrucciones de los archivos de diseño para fabricar productos igualmente complejos. Las habilidades operativas requeridas para la impresión 3D son mucho menores que las de la fundición tradicional.
(7) Fabricación portátil. La fundición y la forja tradicionales generalmente solo pueden producir productos más pequeños que el equipo. Una vez depurada la impresora 3D, el equipo de impresión puede moverse libremente y producir productos que son más grandes que el propio equipo.
(8) Reducir el desperdicio. A diferencia del procesamiento tradicional y la fabricación sustractiva, la fabricación con impresión 3D es fabricación aditiva. Una gran cantidad de procesamiento de metales tradicional se utiliza en motores aeroespaciales y turbinas de gas. Una gran cantidad de materias primas se descartan durante el proceso de procesamiento y la "conformación neta". La impresión 3D reduce significativamente la cantidad de residuos en la fabricación de metales.
(9) Combinación de materiales. Para los métodos tradicionales de fabricación de motores de aviación y turbinas de gas, es muy difícil combinar diferentes materiales (fundición, forja, etc.) en un solo producto. La impresión 3D tiene la capacidad de fusionar diferentes materias primas.
(10) Copia exacta de la entidad. De manera similar a la copia de archivos digitales, la impresión 3D expandirá la copia digital al ámbito físico en el futuro, permitiendo la copia de piezas fuera del sitio.
2 Estado de la aplicación
2.1 Campo de fabricación directa
El concepto técnico de fabricación aditiva directa de piezas metálicas fue desarrollado por el Centro de Investigación de Tecnologías Unidas de Estados Unidos (UTRC). ) en 1979 Fue propuesto por primera vez en 2008, y su objeto de aplicación es la fabricación de discos de turbinas de motores de aviones [2]. En 1994, la Compañía Británica Rolls-Royce (Rolls-Royce), una de las tres principales empresas internacionales de motores de aviación, y la Universidad Británica de Crankfield exploraron conjuntamente la tecnología de fabricación de carcasas de motores de aviación con conformado tridimensional por láser (LSF).
En 2000, la American Boeing Company anunció por primera vez que se utilizarían tres piezas de aleación de titanio fabricadas con tecnología LSF en los aviones F-22 y F/A-18E/F, y en 2001, se formuló el estándar nacional estadounidense para la tecnología LSF (el estándar (revisado en 2011), que desencadenó el primer auge de la fabricación aditiva directa de piezas metálicas en el mundo.
En 2005, la Universidad Politécnica de Northwestern combinó la tecnología LSF con la tecnología de fundición para establecer una tecnología de fabricación combinada con láser, que resolvió el problema de fabricación de la carcasa trasera del cojinete compuesto de aleación In961+GH4169 del motor aeronáutico [4] y garantizó que los nuevos motores sean desarrollado y puesto en funcionamiento a tiempo. En los últimos años, con la mejora gradual de la madurez de la tecnología de fabricación aditiva directa de metal, especialmente la comercialización de equipos de fabricación aditiva directa de metal, el uso de la tecnología de fabricación aditiva directa de metal para la formación y fabricación de piezas de motores aeroespaciales ha atraído gradualmente la atención en Nacional y en el extranjero. La atención de las empresas de motores aeroespaciales y las instituciones de investigación. La Figura 1 muestra el potencial de aplicación del equipo de fusión selectiva por láser (SLM) producido por la empresa alemana EOS en la fabricación de piezas de motores de aviones.
La empresa italiana Avio utiliza equipos de fusión por haz de electrones (EBM) producidos por la empresa sueca Arcam para producir álabes de turbinas de baja presión de TiAl. Además de aplicar la tecnología LSF a la reparación de piezas de motores de aviones, la empresa alemana MTU Aero Engine Company ha comenzado recientemente a probar piezas pequeñas del estator de compresores para motores de aviones fabricados directamente con tecnología SLM. Rolls-Royce Aero Engines también está considerando aplicar tecnología de fabricación aditiva directa de metal a la fabricación directa de componentes livianos para sus motores aeronáuticos avanzados. Pratt & Whitney, confiando en MTU Aero Engine Company, también está realizando pruebas de fabricación directa de piezas de motor aeronáutico PurePower PW1100G-JM utilizando tecnología SLM, como se muestra en la Figura 2.
Actualmente, GE en Estados Unidos cuenta con más de 300 conjuntos de equipos de fabricación aditiva directa para diversos metales, y está a la vanguardia mundial en la fabricación aditiva directa de piezas metálicas para motores aeroespaciales. Recientemente, basándose en su demanda de fabricación directa de piezas de motores aeronáuticos de alta gama, la empresa estadounidense GE se ha centrado en la investigación de fabricación SLM y EBM y las pruebas relacionadas de piezas de motores aeronáuticos mediante la adquisición de la empresa estadounidense Morris Company y la italiana Avio. Compañía. La American Morris Company utiliza la tecnología SLM para producir una gran cantidad de piezas de motores aeronáuticos. Como se muestra en la Figura 3, ya cuenta con más de 20 equipos SLM de última generación. A finales de 2013, GE anunció que utilizaría la tecnología SLM para producir inyectores para su motor GE Leap de próxima generación, con una producción anual de 40.000. GE descubrió que al utilizar la tecnología SLM para producir boquillas, el ciclo de producción se puede acortar en 2/3, los costos de producción se pueden reducir en un 50% y la confiabilidad se ha mejorado enormemente.
2.2 Campo de la reparación aditiva
El duro entorno de trabajo de los motores de aviación determina sus extremadamente altos requisitos para la fabricación de piezas. Durante mucho tiempo, la atención se ha centrado en la fabricación aditiva directa de metales. Se centra en la reparación de componentes de motores de aeronaves. La empresa estadounidense OptomecDesign, que está comprometida con la comercialización de la tecnología LSF, ha aplicado la tecnología LSF a la reparación de desgaste de piezas de motores de aviones T700 de la Marina de los EE. UU. Como se muestra en la Figura 4, ha logrado una remanufactura rápida y de bajo costo de piezas defectuosas. La empresa alemana MTU y el Centro de Investigación Láser de Hannover utilizan la tecnología LSF para el recubrimiento de superficies duras o la restauración geométrica del grupo de coronas de los álabes de las turbinas.
El Instituto Fraunhofer de Alemania se centró en la aplicación de la tecnología LSF en la reparación y remanufactura de componentes dañados de motores aeronáuticos de aleación de titanio y de aleación de alta temperatura. La británica Rolls-Royce Aero Engine Company utiliza la tecnología LSF para la reparación de componentes de motores de turbina. El grupo de investigación del profesor W. Kurz de la Escuela Politécnica de Lausana (Suiza) utilizó la tecnología LSF para reparar hojas de aleaciones monocristalinas de alta temperatura. A nivel nacional, la Universidad Politécnica de Northwestern ha llevado a cabo trabajos sistemáticos de investigación y aplicación sobre la formación y reparación por láser basados en la tecnología LSF. Ha realizado investigaciones relativamente sistemáticas sobre el proceso de formación y reparación por láser de piezas de motores y la tecnología integrada de control del rendimiento del tejido, y ha llevado a cabo investigaciones sistemáticas sobre el proceso de formación y reparación por láser de piezas de motores y la tecnología integrada de control del rendimiento del tejido. Realizó investigaciones en pequeñas y medianas empresas. Se ha utilizado ampliamente en la reparación de piezas clave importantes, como carcasas, palas, blisks y tuberías de aceite de grandes motores aeronáuticos, como se muestra en la Figura 5.
3 perspectivas de aplicación
GE organizó un concurso de rediseño para soportes de motor de aleación de titanio basados en tecnología de fabricación aditiva directa de metal a través de la Asociación GRABCAD. Hubo diseños de 56 países. Los entusiastas presentaron 697 propuestas. , entre los cuales el diseño ganador redujo el peso del soporte de 2.033kg en el diseño original a 327g, una reducción de peso del 84%. Dado que es difícil evitar que el uso de tecnología SLM basada en lecho de polvo produzca pequeños orificios en la producción de piezas, lo que resulta en una reducción del rendimiento de fatiga, para GE, las piezas producidas con tecnología SLM se utilizan principalmente para producir tubos y piezas fundidas de formas especiales. Con este fin, GE también está explorando el uso de la tecnología LSF basada en tecnología de alimentación de material sincrónica para producir piezas densas de motores aeroespaciales de alto rendimiento.
La Figura 6 muestra el borde de admisión compuesto de aleación de titanio de las aspas del ventilador de cuerda ancha y la carcasa de aleación de alta temperatura del motor GE90 fabricado por GE con base en la tecnología LSF de la Universidad Politécnica Northwestern. Entre ellos, la longitud del lado de entrada de aire de aleación de titanio es de 1000 mm, el espesor de la pared es de 0,8 ~ 1,2 mm y la deformación del procesamiento final es de solo 0,12 mm, lo que pasó la prueba de GE Company. La Figura 7 muestra un diagrama esquemático del uso esperado de metal por parte de GE en la fabricación aditiva directa de piezas en varias partes del motor de avión. GE predice que las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva directa de metal representarán el 50% de las piezas de motores de aviación en el futuro, lo que reducirá el peso de cada uno de los grandes motores de aviación que desarrolla en al menos 454 kg.
La tecnología de fabricación aditiva directa de metal ha mostrado un importante potencial de aplicación y amplias perspectivas de aplicación en la fabricación de piezas de motores aeronáuticos. Sin embargo, basándose en principios técnicos y costes de fabricación, cualquier tecnología de procesamiento tiene sus correspondientes características de estructura de piezas, y lo mismo ocurre con la fabricación de piezas de motores de aviación. Basada en las características de precisión de formación, eficiencia y costo de la tecnología de fabricación aditiva directa de metal, esta tecnología es muy adecuada para fabricar componentes complejos con requisitos livianos en motores, especialmente componentes con circuitos y tuberías de aceite internos, y bridas o componentes complejos. con perfiles aerodinámicos complejos, componentes con estructuras alveolares de celdas cerradas o abiertas y componentes con pasajes integrados de formas especiales.