Ferramentas otimizadas para a aeronave sustentável do futuro
"Bom design é, para pessoas e o planeta, um foco cada vez mais crítico," segundo a Estratégia de Inovação do Governo do Reino Unido. Isso inclui o setor aeroespacial, onde os futuros aviões serão necessários para voar de forma mais sustentável e apoiar os objetivos emissões zero em todo o mundo. Aqui, Steve Weston, gerente de Indústria e Centro de Tecnologia — Aeroespacial na Sandvik Coromant, explica porque ferramentas otimizadas e conhecimento do processo serão fundamentais para sustentabilidade e inovação no setor aeroespacial, especialmente quando se trabalha com materiais cada vez mais difíceis de usinar.
As aeronaves sustentáveis do futuro contarão cada vez mais com a próxima geração de superligas resistentes ao calor (HRSAs) e compósitos com matriz cerâmica avançada (CMCs), pois podem suportar altas temperaturas para queima de combustível mais eficiente e baixas emissões de gases. Porém, esses materiais são necessários para serem resistentes ao calor, resistentes à deformação e manter boas propriedades de materiais sob temperaturas extremas. Isso apresenta desafios no estágio de usinagem.
O relatório de estratégia de inovação do Reino Unido diz que novas tecnologias e processos serão a chave para a manufatura e a usinagem desses materiais avançados em escala. A colaboração dentro da indústria também será essencial, o que já está sendo demonstrado no Centro de Pesquisa de Manufatura Avançada (AMRC) em Sheffield, Reino Unido.
Novas tecnologias e processos são especialmente presentes na fabricação de aviões de médio porte e com sistema de furos simples como o Airbus A321.
A Sandvik Coromant foi um dos membros originais a se juntar ao AMRC quando fundada, em 2000, juntamente com a Boeing e a Messier Dowty (atual Afin Landing Systems). Mais tarde, eles se uniram a fabricantes como a British Aerospace, Rolls-Royce, GKN Aerospace e Airbus e, hoje, o AMRC tem aproximadamente 118 membros no total. A maioria dos projetos do centro são colaborativos por natureza, financiados e selecionados por todos os membros, e agora o AMRC emprega mais de 500 pesquisadores e engenheiros altamente qualificados em todo o mundo. Todos são dedicados a projetos de vários milhões de libras esterlinas que podem dar suporte a uma economia forte e pró-inovação.
Para o setor aeroespacial, se estamos falando de sustentabilidade, então novas tecnologias e processos devem focar na habilidade de consumir novos tipos de combustíveis, como combustível sustentável de aeronaves e hidrogênio líquido, para criar emissões mais baixas. Como sempre, a habilidade de trabalhar mais quente significa que há uma queima de combustível mais eficiente. Se juntamos isto com taxas de compressão mais altas, as quais a maioria dos motores novos e futuros podem suportar, então o resultado é maior eficiência. Isso significa menos combustível para combustão, com aumento da potência e redução do ruído.
Inovações para sustentabilidade
Com motores aeroespaciais, o núcleo do motor é relativamente pequeno e a ventoinha na frente é relativamente grande. Sendo assim, um fator que limita a velocidade de rotação da ventoinha. Para resolver isso, nos últimos cinco a dez anos, as caixas de engrenagens foram introduzidas entre a ventoinha e o núcleo do motor. Eles permitem que a ventoinha trabalhe mais lentamente enquanto o núcleo do motor opera mais rapidamente para alta compressão e melhor eficiência do combustível.
Porém, peças HRSA são necessárias para fazer isso funcionar. Tais materiais são metalurgicamente compostos para manter suas propriedades quando expostos a temperaturas extremas. Porém, isso também significa que as tensões geradas ao usinar esses materiais são altas. A capacidade exclusiva dessas superligas à base de níquel, ferro e cobalto de trabalhar próximo ao ponto de fusão também propicia usinabilidade ruim.
Uma parte cada vez mais usada no setor aeroespacial é o rotor, uma peça que abrange um disco de rotor e pás. Diferentemente dos discos tradicionais, que têm canais no diâmetro externo em que as lâminas se encaixam, os rotores combinam o disco e as lâminas em uma única peça e são mais leves que os discos convencionais com lâminas. Isso diminui o número de peças no compressor, ao mesmo tempo, diminuindo o arraste e aumentando a eficiência da compressão do ar no motor em cerca de 8%.
Geralmente, os rotores estão localizados no lado frio do compressor dos motores de aeronaves e, geralmente, são feitos de titânio na primeira instância, migrando para materiais HRSA quando estão mais próximos da câmara de combustão. Usinar essas peças de forma eficiente e com os mais altos padrões requer ferramentas otimizadas e conhecimento do processo relevantes a estes materiais avançados.
É por isso que as áreas de projetos internos da Sandvik Coromant focam fortemente em uma variedade de principais peças e características de motores aeroespaciais. Elas incluem discos, rotores, eixos, carcaças, entre outros. Em particular, estamos vendo um aumento no uso de rotores nos atuais motores de turbinas a gás e esperamos que esta tendência continue, pois as últimas onças de potência potencial e eficiência de combustível são extraídas das arquiteturas atuais dos motores.
No entanto, os rotores apresentam desafios exclusivos de usinagem porque, geralmente, são feitos de HRSAs. As peças exigem tolerâncias dimensionais e geométricas estreitas, enquanto mantêm altos padrões de integridade da superfície e acabamento superficial.
Usinagem mais segura
Em resposta a esses desafios de usinagem, a Sandvik Coromant oferece uma série de soluções em ferramentas que suportam custo otimizado e alta qualidade usinagem de peças para motores aeroespaciais. Um desses métodos — recomendado pela Sandvik Coromant — é o fresamento lateral com alto avanço. A técnica envolve um pequeno contato radial com a peça, o que permite velocidades de corte e faixas de avanço mais altas e profundidades de corte axial com diminuição do calor, espessura de cavaco e forças radiais.
Para apoiar esse método, a Sandvik Coromant desenvolveu CoroMill® Plura HFS faixa de fresamento lateral de alto avanço. A linha apresenta uma série de fresas de topo com geometrias e classes exclusivas e é feita de duas famílias de fresas de topo. Uma família é otimizada para ligas de titânio e a outra para ligas de níquel. O escoamento de cavacos e o calor são desafios específicos durante a usinagem de titânio, por isso, a primeira família apresenta uma versão inteiriça da ferramenta para condições normais de escoamento de cavacos. A segunda família apresenta refrigeração interna e um novo impulsionador de refrigeração para controle otimizado da temperatura e dos cavacos.
A CoroMill® Plura da Sandvik Coromant aumentou a produtividade de 198% para um cliente e foi aplicada a rotores e outras peças.
Uma tentativa do cliente foi realizada para testar uma fresa de topo CoroMill® Plura HFS com 12 mm de diâmetro comparado a uma ferramenta concorrente do mesmo tamanho. Esse teste envolveu a usinagem de uma carcaça de turbina de baixa pressão (LPT) feita de liga à base de níquel Waspaloy 420 envelhecida, usando um centro de usinagem horizontal com maior profundidade de corte axial e profundidade de corte radial reduzida. O resultado foi o aumento das taxas de remoção de metal significativamente com a CoroMill® Plura, levando a um impressionante aumento de 198% da produtividade para o cliente. A solução também foi aplicada a rotores, discos e carcaças de turbinas, lâminas de usinagem e ressalto de redução de peso.
Outras soluções no portfólio da Sandvik Coromant incluem sua próxima geração de classes para torneamento, tanto em metal duro quanto em nitreto cúbico de boro policristalino (PCBN), que foram desenvolvidas para torneamento de acabamento com alta velocidade de peças feitas de materiais ISO S. Por sua vez, as classes são complementadas pelas classes de última geração para torneamento em desbaste com pastilhas de cerâmica desenhadas para desempenho de primeira linha. As mais novas classes de acabamento estão sendo testadas e otimizadas pela Sandvik Coromant para fornecer integridade superficial consistente exigida pelos fabricantes de motores aeroespaciais e também produzir peças de forma consistente e com tolerâncias estreitas.
O futuro
Como resumo do relatório Estratégia de Inovação do Reino Unido, os hubs globais para inovação, como o AMRC, continuarão a ver "empresas de todos os tamanhos criando novos produtos revolucionárias, tornando-se mais eficientes e escalando para crescimento total, tudo de acordo com o mercado global e interno."
Peças HRSA, como rotores, também serão mais presentes nas aeronaves sustentáveis do futuro. Com certeza, um dos principais fabricantes aeroespaciais com os quais a Sandvik Coromant trabalha no AMRC está desenvolvendo motores ultra-fan maiores para obter desenhos super eficientes de combustível que funcionam com biocombustíveis. Outras inovações importantes incluem lâminas moldadas à base de resina flexíveis que são projetadas para destorcer conforme a velocidade rotacional da ventoinha aumenta. Essas tecnologias já são predominantes em aviões com sistema corredor único, de médio porte, como o Airbus A321.
Outras previsões futuras incluem que aeronaves de médio porte serão a primeira a operar com hidrogênio, enquanto os aviões domésticos menores impulsionam ambições elétricas. Agora, há muitas pequenas empresas iniciais que produzem motores elétricos menores para aeronaves e a CNBC reporta que o mercado de carros voadores — conhecido como aviões elétricos — pode aumentar para $1,5 trilhão em 2040 em todo o mundo. Poderá haver pontos de pouso regionalizados no futuro. Por exemplo, passageiros podem bordo de um avião de hidrogênio para viajar mais localmente, na Europa ou em um plano de biocombustível para voar mais longe de campo até um local como os Estados Unidos.
No nível da peça, essas aplicações contarão com materiais de última geração para os quais as soluções de ferramentas otimizadas da Sandvik Coromant e seu amplo conhecimento em processos e aplicações já estão bem equipados. A Sandvik Coromant e o AMRC ajudarão a garantir que o desenho do processo otimizado permaneça crítico para os principais fabricantes da indústria aeroespacial e também para pessoas e o planeta.
