GE Aerospace Advanced Technology, il consorzio europeo guidato da Monaco di Baviera presenta una delle più grandi parti aerospaziali stampate in 3D in metallo e dimostra un notevole risparmio di costi, peso e tempo
La parte di un metro di diametro prodotta in lega di nichel 718 su un sistema GE Additive è una delle parti aerospaziali più grandi prodotte in modo additivo utilizzando il processo DMLM (Direct Metal Laser Melting).
Il passaggio dalla colata convenzionale alla produzione additiva riduce i costi e il peso del 30%.
Consolidation combina oltre 150 parti in una.
Il tempo di consegna è stato ridotto da più di nove mesi a due mesi e mezzo.
Il Green Deal europeo dell’UE stabilisce la necessità di ridurre le emissioni dei trasporti del 90% entro il 2050, rispetto ai livelli del 1990, con il settore dell’aviazione che fa la sua parte. Le azioni politiche e gli sforzi del settore dal 2005 hanno portato a una maggiore efficienza del carburante per passeggero. Le priorità future includono misure finanziarie e normative per promuovere l’aviazione a basse emissioni e lo sviluppo urgente di telai puliti, nuovi motori aeronautici e sistemi di propulsione e carburante per l’aviazione sostenibile .
Un’importante iniziativa di ricerca in corso per sviluppare questi tipi di tecnologie di trasporto aereo più efficienti in termini di consumo di carburante per il più rapido dispiegamento possibile è il programma Clean Sky 2 finanziato dalla Commissione europea e dall’industria aerospaziale europea , che ora 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 del settore ed esperti in materia insieme a organismi di ricerca accademica in tutta Europa. Il programma sta integrando, dimostrando e convalidando tecnologie in grado di ridurre le emissioni di CO2, nonché le emissioni di protossido di azoto (NOx) e di rumore fino al 30% rispetto ai velivoli “state-of-the-art” del 2014. Un altro obiettivo è sviluppare in Europa un’industria aeronautica e una catena di approvvigionamento forti e competitive a livello globale.
Con sede a Monaco di Baviera, in Germania, il team di GE Aerospace Advanced Technology (GE AAT) di Monaco guida tre partnership principali 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 a stretto contatto con GE Aerospace siti in Italia, Repubblica Ceca, Polonia e Turchia, oltre a partner esterni.
Cambiare il gioco per grandi componenti di metallo additivo
Una delle partnership guidate da GE AAT Monaco di Baviera è il Turbine Technology Project (TURN), istituito per accelerare la maturazione tecnologica per i futuri motori aeronautici.
E in risposta a un invito a presentare proposte Clean Sky 2, nel 2018 un consorzio dell’Università della Tecnologia di Amburgo (TUHH), TU Dresda (TUD) e la società tecnologica Autodesk, è stato selezionato per supportare GE AAT Monaco di Baviera per la progettazione e la produzione di un grande -componente di produzione additiva in metallo su scala – l’ involucro Advanced Additive Integrated Turbine Center Frame (TCF) – il progetto MONACO. Ciò includeva anche la progettazione e la produzione di coupon e parti critiche, la convalida e la qualificazione e la consegna finale dell’involucro in metallo stampato in 3D a grandezza naturale.
Dopo quasi sei anni di ricerca e sviluppo e ingegneria, il consorzio ha recentemente presentato il design dell’involucro TCF di grande formato che utilizza la tecnologia Direct Metal Laser Melting (DMLM) di GE Additive nella lega di nichel 718.
L’involucro del TCF è una delle parti più grandi prodotte per l’additivo per l’industria aerospaziale. È progettato per motori a corpo stretto in cui la parte ha un diametro di circa un metro o più. Avere questa soluzione di progettazione in un unico pezzo per produrre questo tipo di hardware del motore di grande formato con costi, peso e tempi di produzione ridotti offre un vantaggio competitivo per il business.
Equivalente a un metro di diametro, il primo involucro TCF in metallo stampato in 3D che utilizza la tecnologia DMLM in lega di nichel 718. Credito immagine: GE Aerospace
“Volevamo ridurre il peso della parte del 25%, ma anche migliorare le perdite di pressione del flusso d’aria secondario, nonché una forte riduzione del conteggio delle parti per migliorare la manutenzione”, ha affermato il dott. Günter Wilfert, tecnologia e operazioni di GE AAT Monaco gestore.
“La squadra può essere orgogliosa dei risultati. Con la stampa finale dell’intero involucro, sono stati in grado di provare i valori. Tali obiettivi sono stati raggiunti e superati. Alla fine siamo riusciti a ridurre il peso del 30% circa. Il team ha anche ridotto il lead time di produzione da nove mesi a due mesi e mezzo, di circa il 75%. Oltre 150 parti separate che compongono un involucro del telaio centrale di una turbina convenzionale sono state consolidate in un unico pezzo”, ha aggiunto.
Per garantire che tutti i requisiti ingegneristici fossero soddisfatti, incluso un vantaggio in termini di prestazioni dello 0,2% nel consumo specifico di carburante, il progetto è stato esaminato da esperti di tutto il team per il Technology Readiness Level (TRL) e Manufacturing Readiness Level (MRL) 4 e la produzione multipla sono state eseguite prove per soddisfare la qualità dell’hardware e incorporare la producibilità di MRL4.
Ridurre la dipendenza dai getti e dalle applicazioni future
Al di fuori dell’ambiente, delle prestazioni, del peso, dei vantaggi in termini di costi e della riduzione dei materiali di scarto di questa nuova parte, forse l’impatto maggiore sarà l’interruzione della catena di approvvigionamento in tutti i settori che devono affrontare sfide con la fusione nella produzione convenzionale.
Il telaio centrale della turbina, un componente intrinseco dei moderni motori aeronautici turbofan, funge da condotto per il gas caldo che scorre dalla turbina ad alta pressione alla turbina a bassa pressione. Convenzionalmente, sono prodotti mediante fusione e/o forgiatura, seguiti da fasi di lavorazione aggiuntive.
A causa dei severi requisiti sull’hardware idoneo al volo nel settore aerospaziale altamente regolamentato, il numero di fornitori approvati per la fusione e la forgiatura di parti è molto limitato. Questo crea lunghi tempi di consegna e costi elevati. Queste sfide e il fatto che un telaio centrale di una turbina non è una parte rotante, lo hanno reso un candidato ideale per la produzione additiva.
Questa nuova soluzione di progettazione di produzione additiva sui telai dei motori non si limita ai telai centrali delle turbine per i futuri motori; può essere sfruttato su telai centrali motore esistenti e legacy. Le caratteristiche progettuali proposte possono anche essere trasferite e/o ridimensionate ai telai posteriori delle turbine (TRF), agli involucri delle turbine a bassa pressione e ai telai centrali delle turbine (TMF).
“Le persone vogliono già sapere come è stata realizzata questa parte e come il design e la tecnologia potrebbero tradursi nei loro settori. La nostra strategia è sempre stata quella di assicurarci che il design dei componenti soddisfi i requisiti di ingegneria aerospaziale e gli obiettivi di Clean Sky 2, ma potrebbe essere facilmente tradotto in altri motori di segmenti simili e in attività e settori adiacenti”, ha affermato Ashish Sharma, un ingegnere capo avanzato su il team GE AAT.
“La produzione additiva offre un enorme potenziale per ridurre il peso, migliorare le funzionalità dei componenti e ridurre sostanzialmente il numero di parti negli assiemi complessi, aumentando direttamente l’efficienza energetica degli aeromobili e riducendo i costi e i tempi di assemblaggio”, ha affermato Christina-Maria Margariti, responsabile del progetto per gli aerei alimentati a idrogeno per Aviazione Pulita.
“Il programma Clean Aviation, in linea con l’obiettivo della neutralità del carbonio entro il 2050 del Green Deal dell’UE, sostiene il lancio di nuovi prodotti dirompenti entro il 2035, con l’obiettivo di sostituire il 75% della flotta operativa entro il 2050. Time to market più rapido e aumento i tassi di produzione saranno quindi cruciali per raggiungere questi ambiziosi obiettivi ambientali”, ha aggiunto.
Collaborazione settore-accademico
Il team del consorzio considera il proprio lavoro, e la parte stessa, un potenziale punto di svolta nell’uso della produzione additiva in metallo per la futura produzione di parti di grandi dimensioni per motori di aerei commerciali.
Sharma ha guidato il progetto sin dal suo inizio. “All’inizio, l’ingegneria sembrava quasi impossibile, ma sfruttando tecnologie additive avanzate e spingendo i confini che estendevano i nostri limiti, abbiamo ottenuto un design che era solo nella nostra immaginazione e lontano da una realtà mai pensata prima”, ha affermato Sharma.
Sharma ha affermato che è stato un enorme risultato e riflette, fin dall’inizio, il talento e la spinta dei membri del consorzio. “La squadra è intelligente. Riunire tutti e mettere in atto strutture di supporto per la build non convenzionali significava che abbiamo ottimizzato non solo l’hardware ma i nostri processi. È stato meraviglioso vedere la collaborazione, tutti con background diversi lavorare insieme. Questo aspetto era unico”.
Il coinvolgimento del mondo accademico è stato fondamentale per il successo generale del progetto, consentendo loro di entrare a far parte di un ampio programma tecnologico europeo collaborando a stretto contatto con l’industria, utilizzando le loro infrastrutture e maturando diverse tecnologie.
Ognuno, ha detto Sharma, ha avuto la sua parte da svolgere. “La Hamburg University of Technology ha una macchina GE Additive M2 installata nel campus e la loro esperienza con la prototipazione è stata inestimabile, mentre il team della TU Dresden era 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 la parte utilizzando la sua macchina ATLAS.
“Avere un team così talentuoso e con esperienza additiva ha portato molte nuove idee e concetti nei fondamenti a cui non avremmo necessariamente pensato se avessimo lavorato nei nostri team individuali. C’era molto ingegno”, ha aggiunto.
Il progetto ha utilizzato un’impostazione del ciclo di iterazione multidisciplinare per progettare l’hardware e ha sfruttato concetti, processi e strumenti di produzione snella per ridurre i tempi di iterazione della progettazione. Molte caratteristiche e soluzioni progettuali innovative e creative sono state prese in considerazione e 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 affermato: “A causa delle dimensioni del pezzo, era necessario valutare inizialmente i concetti di progettazione per segmenti di produzione, convalidarne le prestazioni e da lì imparare come trasferire a fondo scala. Nel corso degli ultimi tre anni e mezzo, tutti i membri del team hanno investito molti sforzi per portarci al punto in cui eravamo completamente fiduciosi di avere il design e il processo DMLM pronti per il finale Stampa. Vedere finalmente la parte fisica che viene costruita con successo è molto gratificante”.
All’inizio del programma TURN, la GE AAT di Monaco ha esplorato lo spazio del design e condotto numerosi studi commerciali sfruttando tecnologie avanzate come la produzione additiva. Il team di GE AAT Monaco di Baviera è stato in grado di definire un piano di maturazione tecnologica per far progredire l’arte di realizzare custodie per TCF.
Infine, quando il consorzio ha iniziato a supportare il piano di maturazione tecnologica, Autodesk ha introdotto 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 validazione – che si fonde per fornire risultati soddisfacenti al primo tentativo di fornire un caso TCF additivo 3600 di successo in un unico pezzo.
“La sfida maggiore per la convalida dell’hardware prodotto in modo additivo è che non ci è consentito aumentare o ridurre la scalabilità, poiché ciò modifica la finitura superficiale, che si riflette nei dati di misurazione tradotti nel 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 affermato Thomas IIzig, Eike Dohmen e Sarah Korb, il team di scienziati di TUD.
“Il team è andato avanti e ha progettato e prodotto una nuova sonda a tre fori per misurare la perdita di pressione sull’involucro TCF additivo, che ha dimostrato una riduzione di circa il 90% della caduta di pressione rispetto a un design convenzionale. L’involucro del TCF è stato sottoposto a numerosi test aero/termici e meccanici per soddisfare i requisiti di ingegneria”, hanno aggiunto.
Il ruolo di Autodesk in questa ricerca è stato quello di sviluppare un involucro del telaio centrale della turbina leggero e ad alte prestazioni, ottimizzando le prestazioni strutturali e fluide e contribuendo al contempo a consolidare oltre 150 parti in un unico componente. Il team Autodesk è stato determinante nell’affrontare le sfide per la progettazione di componenti utilizzando gli strumenti software per soddisfare i requisiti del programma.
