Tecnologia ECM di EMAG: Indispensabile per le innovazioni nella costruzione di propulsori

18/06/2014 - Oliver Hagenlocher


Pochi settori sono sottoposti ad una pressione innovativa così forte come l'industria aeronautica: fra i motivi figurano le sempre più restrittive prescrizioni dei legislatori in materia di emissioni di CO2 degli aeromobili e la rapida crescita del mercato prevista nei prossimi anni. Questo fa sì che l'attenzione dei progettisti sia incentrata prevalentemente sui propulsori, che devono garantire una maggiore potenza d'azionamento, a fronte di un consumo minore di carburante. Ovviamente questo sviluppo influisce pesantemente sui componenti dei propulsori utilizzati e si impiegano materiali estremi, quali leghe a base di nichel in grado di resistere a sollecitazioni elevate. Ci si pone tuttavia la domanda: in che modo questi materiali possono essere lavorati con precisione, rapidità e sicurezza? Gli esperti EMAG forniscono una risposta efficace con la tecnologia ECM. Le macchine ECM di EMAG dischiudono nuove possibilità per la costruzione di propulsori.

In questo settore vige una correlazione importante: quanto maggiori sono le temperature all'interno del propulsore, tanto più efficiente sarà il suo funzionamento; ciò significa che sulla stessa tratta, l'aereo consuma meno carburante e la sua autonomia aumenta. Si può facilmente immaginare cosa ciò significhi per i materiali impiegati all'interno della turbina dell'aereo. Le temperature più elevate spingono i progettisti ad utilizzare direttamente materiali ad altissima resistenza, in grado di sopportare meglio la sollecitazione, andando incontro ad alcune problematiche. I componenti, infatti, diventano più complessi e la loro lavorazione richiede una precisione estrema. Tuttavia, solo in questo modo è possibile raggiungere gli eccezionali obiettivi prefissati già oltre dieci anni fa dal settore: una riduzione del 20% delle emissioni di CO2 e del consumo di carburante.

Un’opzione straordinaria per la costruzione di propulsori
Questo stesso percorso di sviluppo è stato seguito, ad esempio, anche dall’industria automobilistica; anche se, per quanto concerne il settore aeronautico, le conseguenze sono estreme. Oggi, infatti, l'industria si trova davanti a un bivio. Secondo le stime degli esperti, nei prossimi due decenni il traffico aereo aumenterà del 5% annuo e in base alle previsioni di Airbus, questo si tradurrà in una domanda di 7.600 nuove macchine ogni dieci anni. Questa grande opportunità implica che, per conquistare nuovi mercati, la costruzione di propulsori deve prevedere miglioramenti costanti, perciò la priorità assoluta viene data allo sviluppo di nuovi propulsori.

Quali sono le soluzioni di produzione con cui è possibile realizzare in modo efficiente i nuovi componenti con le alte prestazioni richieste? La tecnologia ECM e PECM (Precise Electro Chemical Machining) di EMAG rappresenta un'opzione straordinaria in tal senso, anche se ancora sconosciuta a numerosi progettisti e costruttori. Il procedimento eccelle in tutti i casi in cui occorre produrre componenti complessi da materiali difficili. Le leghe ad alta resistenza e materiali simili vengono lavorati con un'usura minima degli utensili. La qualità delle superfici realizzate è ottima – senza formazione di bava e senza alterazioni della struttura del materiale. I processi ad asportazione truciolo comportano, al contrario, tutta una serie di problemi: le temperature raggiunte durante le lavorazioni tradizionali influiscono spesso negativamente sulla struttura del materiale di parti complesse del propulsore; inoltre, la lavorazione di materiali ad alta resistenza determina una durata limitata degli utensili e le velocità di alimentazione elevate richieste, ai fini dell'economicità del processo, rendono difficile lavorare geometrie sottilissime. Pertanto, non sorprende che, attualmente, proprio la tecnologia ECM sia sempre più richiesta per la costruzione di propulsori. Da quando EMAG ha adottato questa tecnologia nel 2009, diverse macchine sono già state consegnate nella catena di fornitura dei produttori di propulsori. Queste macchine lavorano componenti centrali quali BLISK, DISK e mono-pale in leghe a base di nichel, sempre in modo estremamente preciso e veloce.

EMAG ha sviluppato ulteriormente il procedimento, in modo mirato
Il procedimento elettrochimico garantisce un'asportazione del materiale particolarmente delicata. Il pezzo diventa l'anodo positivo, mentre l'utensile il catodo negativo. Tra i due scorre una soluzione elettrolitica e gli ioni di metallo si separano dal pezzo. La forma del catodo o dell'utensile, con le zone attive e conduttrici, viene selezionata in modo tale che l'asportazione di materiale sul pezzo delinei il profilo desiderato del componente. Senza contatto si creano profili, canali anulari, scanalature o incavature – il tutto con la massima precisione e minima usura dell’utensile. Con la tecnologia PECM, gli esperti EMAG hanno sviluppato ulteriormente il procedimento, sempre in modo mirato. Da un lato, lo spazio in cui scorre la soluzione elettrolitica è particolarmente stretto e dall'altro lato l'alimentazione dell'elettrolita è ottimizzata mediante un movimento meccanico oscillatorio. Questo procedimento favorisce un'asportazione molto efficace e precisa del materiale. Le possibilità offerte da questa tecnologia si evidenziano in modo esemplare nella produzione di BLISK.
Per la lavorazione dei dischi dei propulsori gli specialisti EMAG hanno sviluppato una macchina ECM dotata di 11 stazioni di lavorazione ECM. Quattro sono i processi svolti all'interno dell'impianto: foratura, definizione del profilo, lavorazione del raggio e lucidatura. Il materiale Inconel, ad alta resistenza, viene lavorato con un avanzamento di 5 millimetri al minuto, senza influsso termico e senza bava, con tolleranze comprese fra 0,1 e 0,3 millimetri. La durata degli utensili ECM è molto elevata, pertanto i costi degli utensili hanno un'incidenza inferiore sulla produzione, rispetto a quanto avviene nei procedimenti ad asportazione truciolo.

Prova della fattibilità in laboratorio
Gli esperti EMAG ECM di Gaildorf (Schwäbisch Hall) offrono un servizio completo e articolato a supporto di questo procedimento e si considerano un partner di sviluppo per il cliente. Elemento centrale di questo servizio è un moderno laboratorio, che offre la possibilità di effettuare studi e analisi preliminari su macchine a uno e a più assi, servendosi di una dotazione completa di strumenti tecnici di misurazione (rugosità, profilo, tecnica di misurazione a coordinate).
Non viene esaminata solo la fattibilità generale, ma viene verificato anche il rapporto costi-benefici del procedimento in riferimento a un componente specifico e al suo materiale. Al termine il cliente è a conoscenza delle tolleranze risultanti del componente e dei cicli di lavorazione.

La filosofia dei costruttori di macchinari del sud della Germania è importante proprio per la costruzione di propulsori: sin dall'inizio, il lavoro viene incentrato su una collaborazione molto stretta con il cliente e il procedimento deve essere "implementato" saldamente in azienda. Ciò può significare, ad esempio, che i clienti vengono addestrati a progettare e costruire personalmente i propri utensili in base alle loro esigenze.

Collaborazione con l'Istituto Tecnico RWTH di Aquisgrana
Anche la collaborazione scientifica con il Laboratorio Macchine Utensili dell'Istituto Tecnico RWTH di Aquisgrana evidenzia che l'ambizione tecnologica degli esperti di EMAG ECM guarda lontano. In questo laboratorio vengono condotte analisi sperimentali sulla lavorabilità elettrochimica di un materiale o simulazioni per una configurazione a catodi ancora migliore. L'obiettivo principale è un'ottimizzazione globale. Pertanto, il procedimento viene costantemente perfezionato pensando a nuovi materiali e a nuove geometrie dei componenti.

Grandi serie, materiali durissimi, risultati precisi senza influssi sul materiale e superfici perfette: in questo scenario, per i costruttori di macchinari e la loro tecnologia, si delineano straordinarie opportunità di mercato nella costruzione di propulsori. Possono, infatti, sfruttare il principio modulare delle macchine, che le rende in grado di adattarsi rapidamente ai requisiti di un componente e, al contempo, beneficiare della vasta competenza EMAG nello sviluppo e nella produzione di macchine utensili. Nello sviluppo confluiscono innovazioni fondamentali quali il corpo principale della macchina in Mineralit, interfacce software e hardware intelligenti o soluzioni di automazione efficaci. In questo modo alla EMAG ECM nascono soluzioni (P)ECM chiavi in mano e su misura.
I costruttori di macchinari ne sono certi: in futuro, la loro tecnologia sarà indispensabile per realizzare numerose innovazioni nella costruzione di propulsori. La "corsa" al procedimento ECM è già iniziata.

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Oliver Hagenlocher

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