Il consorzio aerospaziale di GE produce parti AM per il programma Clean Sky 2
GE Additive ha annunciato che il consorzio GE Aerospace Advanced Technology (GE AAT), Monaco, Germania, ha prodotto additivamente un componente aerospaziale in lega di nichel 718 da 1 m come parte del programma Clean Sky 2 .
Il programma Clean Sky 2 è finanziato dalla Commissione Europea e dall’industria aerospaziale europea ed è composto da grandi attori 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 CO 2 , nonché le emissioni di protossido di azoto (NOx) e di rumore fino al 30% rispetto ai velivoli “all’avanguardia” del 2014.
Il consorzio GE AAT Monaco guida tre partnership principali nel programma Clean Sky 2 per identificare l’hardware del motore, i vantaggi, la progettazione e i processi di produzione e, in relazione agli obiettivi del programma, collabora a stretto contatto con le sedi di GE Aerospace in Italia, Repubblica Ceca, Polonia e Turchia , nonché partner esterni. Una delle partnership di GE AAT è il Turbine Technology Project (TURN), istituito per accelerare la maturazione tecnologica per i futuri motori aeronautici.
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 AM in metallo in scala – l’involucro Advanced Additive Integrated Turbine Center Frame (TCF) – il progetto MONACO. Ciò includeva anche la progettazione e la produzione di tagliandi e parti critiche, la convalida e la qualificazione e la consegna finale dell’involucro metallico di dimensioni standard prodotto additivamente.
Si dice che l’involucro TCF di grande formato prodotto utilizzando la tecnologia di produzione additiva Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) di GE Additive sia una delle parti più grandi prodotte 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.
“Volevamo ridurre il peso della parte del 25%, ma anche migliorare le perdite di pressione del flusso d’aria secondaria e una forte riduzione del numero di parti per migliorare la manutenzione”, ha affermato il dott. Günter Wilfert, GE AAT Munich Technology and Operations 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 di circa il 30%. 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”.
Al fine di 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 livello di preparazione tecnologica (TRL) e il livello di preparazione alla produzione (MRL) 4 e sono state eseguite più prove di produzione per soddisfare la qualità dell’hardware e incorporare la producibilità di MRL4.
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 requisiti relativi all’hardware idoneo al volo nel settore aerospaziale altamente regolamentato, il numero di fornitori approvati per la fusione e la forgiatura di parti è 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 AM. Questa nuova soluzione di progettazione per la 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).
Ashish Sharma, un ingegnere capo avanzato del team GE AAT di Monaco, ha commentato: “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 attività e settori adiacenti”.
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 sono state prese in considerazione e introdotte per ridurre la pressione, il gradiente termico e lo stress.
Il dott. 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 trasferirli in su vasta 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, GE AAT Monaco di Baviera ha esplorato lo spazio del design e ha 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 della tecnologia, AutoDesk ha portato strumenti per ottimizzare la progettazione additiva, TUHH ha aggiunto una macchina AM per le prove di costruzione iniziali e gli esperti di TUD hanno costruito un impianto aero/termico con dispositivi di strumentazione di alta qualità per la convalida, che combinavano per produrre un caso TCF additivo 3600 in un unico pezzo di successo al primo tentativo.
Thomas IIzig, Eike Dohmen e Sarah Korb, il team di scienziati di TUD, hanno osservato: “La sfida più grande per la convalida dell’hardware prodotto in modo additivo è che non ci è permesso aumentare o diminuire la scala, poiché ciò cambia la finitura superficiale, che si riflette nei dati di misurazione tradotti al 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”.
“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.
GE Additive spiega che 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. È stato affermato che il team Autodesk è determinante nell’affrontare le sfide per la progettazione di componenti utilizzando i loro strumenti software per soddisfare i requisiti del programma.
