Zoptymalizowane narzędzia do produkcji zrównoważonych samolotów przyszłości

„Koncentracja na dobrej konstrukcji jest coraz ważniejsza dla ludzi i planety” według zleconej przez brytyjski rząd publikacji UK Innovation Strategy. Dotyczy to także branży lotniczej, gdyż eksploatacja samolotów przyszłości będzie bardziej zrównoważona, aby wspierać cel osiągnięcia zerowych emisji na całym świecie. W artykule Steve Weston, menedżer branżowego centrum technologii dla branży lotniczej w firmie Sandvik Coromant, wyjaśnia, dlaczego zoptymalizowane narzędzia i wiedza o procesach będą kluczowe dla zrównoważonego rozwoju i innowacji w branży lotniczej, zwłaszcza w obróbce coraz trudniej skrawalnych materiałów.

Zrównoważone samoloty przyszłości będą w coraz większym stopniu oparte o kolejną generację superstopów żaroodpornych (HRSA) na bazie proszku oraz materiały kompozytowe na matrycy ceramicznej (CMC), gdyż ich odporność na wysokie temperatury umożliwia wydajniejsze spalanie paliwa i niskie emisje. Jednak używane w tym celu materiały muszą być odporne na gorąco i pełzanie oraz utrzymywać dobre właściwości także w ekstremalnych temperaturach. Oznacza to spore wyzwania na etapie obróbki.

Według raportu UK Innovation Strategy nowe technologie i procesy będą kluczem do produkcji i obróbki tych zaawansowanych materiałów na dużą skalę. Współpraca w ramach branży także będzie istotna, co już teraz można zaobserwować w Ośrodku Zaawansowanych Badań nad Produkcją (AMRC) w Sheffield (Wielka Brytania).

Nowe technologie i procesy są stosowane szczególnie często podczas produkcji średniej wielkości samolotów z jednym przejściem między rzędami foteli, takich jak Airbus A321.

Firma Sandvik Coromant należała do pierwszych członków, którzy dołączyli do AMRC, gdy ośrodek został założony w 2000 roku, obok Boeinga i Messier Dowty (obecnie Safran Landing Systems). Później dołączyły do nich takie firmy, jak British Aerospace, Rolls-Royce, GKN Aerospace i Airbus. Obecnie AMRC liczy w sumie około 118 członków. Większość projektów realizowanych przez ośrodek ze swej natury polega na współpracy, sponsorowanej i zarządzanej przez wszystkich członków. Obecnie AMRC zatrudnia ponad 500 wysoko wykwalifikowanych badaczy i inżynierów z całego świata. Wszyscy oni pracują nad projektami wartymi wiele milionów funtów, wspierającymi rozwój silnej, proinnowacyjnej gospodarki.

W branży lotniczej zrównoważony rozwój oznacza, że nowe technologie i procesy powinny koncentrować się na możliwościach spalania nowych typów paliwa, takich jak zrównoważone paliwo lotnicze i ciekły azot, aby obniżać emisje. Jak zawsze podzespoły pracujące w wyższych temperaturach sprawiają, że spalanie paliwa jest bardziej wydajne. W połączeniu z wyższymi współczynnikami spalania, które charakteryzują większość nowych i przyszłych silników, uzyskuje się wyższą wydajność. W rezultacie spala się mniej paliwa, rośnie moc silnika i obniża się poziom hałasu.

Innowacje na rzecz zrównoważonego rozwoju

W silnikach lotniczych rdzeń jest stosunkowo mały, a wirnik z przodu stosunkowo duży. Wynika z tego, że czynnikiem ograniczającym konstruktorów są obroty maksymalne wirnika. Aby rozwiązać ten problem, w ciągu ostatnich 5–10 lat wprowadzono przekładnie między wirnikiem a rdzeniem silnika. Dzięki nim wirnik może obracać się wolniej, a rdzeń silnika – szybciej, co zwiększa stopień sprężania i wydajność zużycia paliwa.

Jednak rozwiązanie to wymaga stosowania z podzespołów z superstopów żaroodpornych. Skład metalurgiczny takich materiałów umożliwia im zachowanie właściwości także w ekstremalnych temperaturach. Z drugiej strony naprężenia powstające podczas ich obróbki są duże. Wyjątkowa odporność superstopów na bazie niklu, żelaza i kobaltu na temperatury bliskie temperaturze topnienia metalu bazowego wpływa na ich zasadniczo niewielką skrawalność.

Częścią stosowaną coraz częściej w branży lotniczej jest blisk, czyli podzespół złożony z tarczy wirnika i łopatek. Inaczej niż w przypadku tradycyjnych tarcz, które mają rowki na średnicy zewnętrznej służące do zamocowania łopatek, blisk to jeden podzespół obejmujący tarczę i łopatki, lżejszy od tradycyjnej tarczy z łopatkami. Oznacza to zmniejszenie liczby podzespołów w sprężarce, a jednocześnie mniejszą bezwładność i zwiększenie wydajności sprężania powietrza w silniku o około 8%.

Bliski na ogół znajdują się w silniku lotniczym po zimnej stronie sprężarki i przeważnie są wykonane z tytanu, zastępowanego przez superstopy żaroodporne, jeśli znajdują się bliżej komory spalania. Skuteczna obróbka takich podzespołów zgodnie z najsurowszymi normami wymaga zoptymalizowanych narzędzi i wiedzy o procesach dotyczącej tych zaawansowanych materiałów.

Dlatego wewnętrzne projekty w firmie Sandvik Coromant w tak dużym stopniu koncentrują się na różnorodnych kluczowych podzespołach i funkcjach silników lotniczych. Są to między innymi tarcze, bliski, wały i obudowy. Widoczne jest zwłaszcza coraz częstsze stosowanie blisków w dzisiejszych gazowych silnikach lotniczych. Można oczekiwać kontynuacji tego trendu w związku z dążeniem do maksymalnego zwiększenia mocy i wydajności zużycia paliwa obecnie stosowanych konfiguracji silników lotniczych.

Jednak obróbka blisków wiąże się ze szczególnymi wyzwaniami, ponieważ często są one wykonane z superstopów żaroodpornych. Podzespoły te wymagają wąskich tolerancji wymiarowych i geometrycznych, a zarazem podtrzymania wysokich standardów integralności i chropowatości powierzchni.

Większe bezpieczeństwo obróbki

Wychodząc naprzeciw tym wyzwaniom, firma Sandvik Coromant oferuje szereg rozwiązań narzędziowych wspomagających ekonomiczną, wysokiej jakości obróbkę podzespołów silników lotniczych. Jedną z takich metod – zalecanych przez Sandvik Coromant – jest frezowanie walcowe z wysokim posuwem. W technice tej stosuje się małą szerokość frezowania przedmiotu obrabianego, która umożliwia zwiększenie prędkości skrawania, posuwu i głębokości skrawania dzięki niższej temperaturze, mniejszej grubości wióra i siłom promieniowym.

Z myślą o tej metodzie firma Sandvik Coromant stworzyła asortyment frezów do frezowania walcowego z wysokim posuwem CoroMill® Plura HFS. Obejmuje on serię frezów trzpieniowych o wyjątkowych geometriach i gatunkach, złożoną z dwóch rodzin frezów. Jedna rodzina to narzędzia zoptymalizowane pod kątem stopów tytanu, a druga – pod kątem stopów niklu. Odprowadzanie wiórów i wysoka temperatura to typowe wyzwania podczas obróbki tytanu, dlatego w pierwszej rodzinie znajdują się narzędzia w wersji monolitycznej, przeznaczone do pracy w typowych warunkach odprowadzania wiórów. Druga rodzina posiada funkcje wewnętrznego podawania chłodziwa i nowego wspomagania chłodzenia w celu optymalnej kontroli wiórów i temperatury.

Frez CoroMill® Plura firmy Sandvik Coromant umożliwił jednemu z klientów zwiększenie produktywności o 198% i został zastosowany do produkcji tarcz wirnika i innych podzespołów.

Podczas testu przeprowadzonego u klienta sprawdzono frez trzpieniowy o średnicy 12 mm CoroMill® Plura HFS, porównując go z produktem konkurencji o tych samych wymiarach. Test polegał na obróbce obudowy turbiny niskiego ciśnienia (LPT) wykonanej ze starzonego stopu na bazie niklu Waspaloy 420 na poziomym centrum obróbkowym, przy większej osiowej i mniejszej promieniowej głębokości skrawania. W efekcie dzięki zastosowaniu CoroMill® Plura nastąpił znaczny wzrost wydajności skrawania, czego skutkiem był imponujący wzrost produktywności w zakładzie klienta o 198%. Rozwiązanie to zostało również zastosowane do produkcji blisków, a także tarcz i obudów turbin, obróbki łopatek i żebrowań zmniejszających masę.

Inne rozwiązania z asortymentu Sandvik Coromant to gatunki tokarskie kolejnej generacji, wykorzystujące węglik i polikrystaliczny regularny azotek boru (PCBN), przeznaczone do szybkościowego toczenia wykończeniowego podzespołów z materiałów z grupy ISO S. Uzupełnieniem tych gatunków są z kolei ceramiczne gatunki kolejnej generacji do toczenia zgrubnego, mające osiągać szczytową wydajność w swojej klasie. Najnowsze gatunki do obróbki wykończeniowej są testowane i optymalizowane przez Sandvik Coromant, aby zapewniać powtarzalną integralność powierzchni wymaganą przez producentów silników lotniczych i jednocześnie umożliwiać produkcję podzespołów zgodnie z wąskimi zakresami tolerancji.

Przyszłość

Według raportu UK Innovation Strategy, globalne centra innowacji, takie jak AMRC, będą nadal sprawiać, że „różnej wielkości firmy będą tworzyć przełomowe nowe produkty, zwiększać swoją wydajność i dążyć do pełni rozwoju, a wszystko to z myślą o globalnym i zarazem krajowym rynku”.

Ponadto podzespoły z superstopów żaroodpornych, takie jak bliski, będą coraz powszechniej stosowane w zrównoważonych samolotach przyszłości. Jeden z czołowych producentów z branży lotniczej, z którymi firma Sandvik Coromant współpracuje w ramach AMRC, pracuje nad większymi silnikami typu UltraFan w celu stworzenia superwydajnych konstrukcji spalających biopaliwa. Inną innowacją o kluczowym znaczeniu są łopatki wykonane przy użyciu technologii formowania z przenoszeniem żywicy, zmieniające ustawienie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika. Technologie te są już rozpowszechnione w średniej wielkości samolotach z jednym przejściem między rzędami foteli, takich jak Airbus A321.

Przewiduje się także, że w przyszłości średniej wielkości samoloty będą napędzane wodorem, natomiast loty krajowe będą obsługiwane przez mniejsze maszyny z napędem elektrycznym. Obecnie istnieje wiele początkujących firm produkujących mniejsze silniki elektryczne do samolotów, a CNBC informuje, że wartość rynku samochodów elektrycznych – znanych jako elektryczne taksówki powietrzne – może osiągnąć w skali globalnej 1,5 tryliona USD do 2040 roku. W przyszłości mogą nawet powstać regionalne lądowiska. Przykładowo pasażerowie odbywający krótsze podróże (np. po Europie) będą mogli skorzystać z samolotu z napędem wodorowym, natomiast w dalszą podróż (np. do Stanów Zjednoczonych) wybiorą się samolotem na biopaliwo.

Na poziomie podzespołów rozwiązania te będą opierać się o kolejne generacje materiałów, na co są już gotowe stworzone przez Sandvik Coromant zoptymalizowane rozwiązania narzędziowe, a także rozległa wiedza o procesach obróbki i zastosowaniach. Sandvik Coromant i AMRC będą nadal pracować nad tym, aby zoptymalizowana konfiguracja procesów obróbki pozostała istotna dla czołowych producentów z branży lotniczej, a także ludzi i planety.