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El CFAA es clave para el desarrollo de esta tecnología y la fabricación de los primeros prototipos

Nuevos materiales y procesos productivos para componentes del motor aeronáutico

D. García, A. Rodríguez, E. Paños, M. Esparta, N. López16/10/2018

Los futuros motores aeronáuticos precisan de desarrollos tecnológicos importantes. Los nuevos diseños de turbinas de alta velocidad requieren componentes capaces de girar a velocidades notablemente superiores a las actuales y en condiciones de temperatura más desfavorables. En esta línea, se están desarrollando nuevos materiales capaces de cumplir con las especificaciones técnicas de diseño, así como nuevos procesos productivos que ofrezcan viabilidad a los nuevos diseños de motor, más eficientes y menos contaminantes. Los primeros prototipos y piezas test para carcasas de turbina fabricados con la tecnología de Powder HIP ya se están realizando y testeando en el CFAA.

En consonancia con los objetivos europeos y el reto sobre el transporte del programa Horizonte 2020, ITP Aero, Metalúrgica Marina y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) ya trabajan en el CFAA para mejorar la competitividad y el impacto medioambiental de las tecnologías aeronáuticas europeas. En concreto, integrando, demostrando y validando tecnologías capaces de mejorar la eficiencia de los motores aeronáuticos permitiendo además reducir las emisiones de NOx y las emisiones sonoras con respecto a las aeronaves de última generación.

Como ejemplo, la fabricación y el desarrollo de la próxima generación de turbinas de alta velocidad destinadas a la industria aeroespacial pasa por el empleo de nuevos materiales y nuevas técnicas de fabricación avanzadas. Estos desarrollos, orientados a los futuros motores aeronáuticos de los segmentos de medio y alto empuje, centran sus esfuerzos en asegurar la integridad del producto y mejorar la eficiencia del proceso productivo. En esta línea, desde 2015, la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) colabora en el proyecto Futuralve como subcontratado de varios de los socios industriales. El proyecto, financiado por el CDTI, se centra en tecnologías de materiales y fabricación avanzada para la nueva generación de turbinas de alta velocidad. El objetivo es desarrollar nuevos materiales resistentes a alta temperatura, y también las tecnologías de fabricación avanzada necesarias para el diseño de componentes optimizados de una nueva arquitectura de motor, la conocida como ‘geared turbofan’.

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Evolución del motor aeronáutico en los últimos años. Del Trent XWB al UltraFan, con su turbina de alta velocidad, que previsiblemente entrará en servicio en 2025. Foto: Rolls Royce.

En futuros motores como el UltraFan, las turbinas pasan a funcionar a mayor velocidad de rotación, unas 3 veces más rápido, y a temperaturas 200º superiores a las actuales. Por lo tanto, los componentes que se componen las mismas, están sometidos a altas exigencias debido a las cada vez más críticas condiciones de trabajo. En este contexto de trabajo, las superaleaciones base níquel como el Inconel718 han demostrado ser materiales idóneos para este propósito, sin embargo, nuevas aleaciones se están desarrollando y testeando para mejorar las propiedades mecánicas y estructurales de los componentes, sobre todo frente al trabajo a temperaturas elevadas. Algunas de estas nuevas aleaciones requieren de nuevos procesos productivos para su obtención. De hecho, al tratarse de materiales de alto valor específico, la reducción de costes en producción es un desafío fundamental a solventar siendo de notable importancia la reducción de gastos para la fabricación de los componentes, tratando de conseguir preformas near-net-shape para disminuir las operaciones de mecanizado por arranque de material. Es por esto que muchas de las líneas de investigación en proceso se basan en conseguir ahorros en material y mejora de vida en herramientas de corte, de gran importancia debido a la limitada maquinabilidad de estas aleaciones.

Un método productivo cada vez más valorado para la fabricación de preformas de superaleaciones en el conocido como Powder HIP (prensado isostático en caliente). Son varias las líneas de investigación llevadas a cabo para el desarrollo y validación de esta tecnología, ya que, a día de hoy, son varias las incertidumbres que muestra el proceso. El HIP consiste en la fabricación de un componente, en este caso mediante polvo de aleación, sometiéndolo simultáneamente a alta temperatura y presión y conteniéndolo en un recipiente conocido como canning o cannister. De esta forma, se produce la compactación y el sinterizado del polvo mediante mecanismos de unión por difusión y deformación plástica. Las principales ventajas de los productos creados mediante esta técnica son: a) posibilidad de obtener propiedades uniformes e isótropas, b) baja porosidad y c) fabricación cercana a forma final.

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Mecanizado de componente exterior y componente interior de canning. Izda., componentes en bruto. Dcha., componentes mecanizados previo montaje. Realizado en el CFAA en colaboración con ITP Aero, Metalúrgica Marina y CEIT-IK4.

En el CFAA, dentro del marco de tareas del proyecto Futuralve, se ha fabricado en colaboración con ITP y Metalúrgica Marina un prototipo a escala real de carcasa de una turbina de motor aeronáutico, utilizando técnicas de Powder HIP. Para la producción del cannister se fabricaron dos piezas de acero mediante sectores de chapón virolado y soldado en tronco de cono (una de ella para la fabricación de la parte interior del canning y la otra para la parte exterior). Una vez mecanizadas las virolas hasta la geometría diseñada se soldaron entre sí, dejando de esta forma un recipiente cerrado herméticamente con el hueco diseñado para la introducción del polvo de metal que formaría la carcasa o pieza final.

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Montaje final del conjunto, sellado y soldado de los canales de alimentación. Realizado en el CFAA en colaboración con ITP Aero, Metalúrgica Marina y CEIT-IK4.

En una siguiente etapa se procedió al llenado y sellado del conjunto. Por último, se envió el conjunto al extranjero donde se realizaron los ciclos de HIP. Una vez realizado el proceso de HIP y el tratamiento térmico necesario, se eliminó la camisa exterior e interior, pasando a realizar los ensayos necesarios para asegurar la integridad del componente (realización de ensayos no destructivos, ensayos mecánicos, etc.). Además, se realizarán ensayos de maquinabilidad para comparar las propiedades y características del proceso de mecanizado en relación a otros materiales comúnmente utilizados, como Inconel 718, de los que ya existe gran cantidad de datos en bibliografía, además del know-how propio de las empresas participantes en este proyecto.

El futuro de esta tecnología pasa por desarrollar técnicas de fabricación de canning de bajo coste de manera eficiente y lo suficientemente productiva. Con el objetivo de desarrollar y validar la hoja de ruta para la fabricación de carcasas por Powder HIP, se comienza a finales de 2018 con el proyecto europeo CleanSky2 de acrónimo HUC. El consorcio, formado por CEIT-IK4 (líder del proyecto), Aubert & Dubal, INSTM, IMDEA y UPV/EHU trabajará para la consecución de dos objetivos claros. El primero de ellos, consiste en realizar tres componentes de carcasas reales para el programa de desarrollo de motor de UltraFan; el segundo objetivo es desarrollar alternativas funcionales y eficientes para la fabricación de cannings a ritmos productivos. En este proyecto, el CFAA trabajará en contacto directo con ITP Aero (topic manager) y los demás socios del proyecto, centrando su actividad en la fabricación de cannings y desarrollo de procesos.

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Tareas del proyecto Clean Sky 2 – HUC a desarrollar en el CFAA en 2018-2020. Socios del proyecto: CEIT-IK4, Aubert & Dubal, INSTM, IMDEA y UPV/EHU.

Autores

Izda. Diego García. Investigador en la Universidad del País Vasco (UPV-EHU). Ingeniero técnico industrial con especialidad en mecánica. Postgraduado en Ingeniería de materiales avanzados por la UPV/EHU. Desde 2017 investigador de procesos de mecanizado en aleaciones termorresistentes en el CFAA.

Dcha. Adrián Rodríguez. Coordinador de proyectos de I+D+i en el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) en la Universidad del País Vasco (UPV/EHU). Doctor en ingeniería mecánica. Trabajando en proyectos de investigación relacionados con diferentes tecnologías de fabricación desde 2009. Actualmente, sus líneas de trabajo se centran en tratamientos superficiales mecánicos, mecanizado de superaleaciones y técnicas avanzadas de lubricación/refrigeración.

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(Izda.) Mikel Esparta. Tecnólogo de procesos de fabricación en ITP AERO desde 2009. Ingeniero Industrial. Pertenece al departamento de Tecnología de Fabricación de ITP Aero. Tecnólogo de procesos de mecanizado. Desde 2009 ha trabajado en diferentes proyectos de I+D, tanto regionales, estatales, así como europeos. En la actualidad participa en el desarrollo de nuevos conceptos de mecanizado para las turbinas de nueva generación, enmarcados dentro de los proyectos Escaliturb, Futuralve y Taldea.

(Dcha.) Estibaliz Paños. Especialista de materiales y procesos en ITP Aero desde 2002. Ingeniero técnico industrial. Está especializada en aleaciones resistentes a alta temperatura para aplicaciones aeronáuticas. Desde 2013 ha trabajado en el desarrollo de aleaciones fabricadas por pulvimetalurgia para su aplicación en componentes de turbinas para aviones.

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Nerea López. Responsable del Departamento de I+D+i de Metalúrgica Marina. Ingeniera Técnica en Diseño Industrial por la Universidad de Mondragón, Postgraduada en Ingeniería Industrial. Especializada en Diseño Mecánico, Procesos de Fabricación y estrategia de mecanizado. Experiencia en el desarrollo de proyectos de investigación. Desde 2015, gestión, control y coordinación de proyectos de I+D+i de diferente índole en Metalúrgica Marina.
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Año 1 del CFAA: éxito sin precedentes

El Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutico es un éxito, simplemente hay que hablar de indicadores

  • Socios en el inicio: 11, socios actuales: casi 65
  • Proyectos acabados: 43, proyectos en la lista de proyectos: 110
  • Personal de varios tipos a bordo de este proyecto: 32
  • Grandes proyectos que involucran a casi todos los socios: 8
  • Visitantes al centro. Unos 350 desde 2016

La pregunta es: ¿cuál es la razón de este éxito? Siempre es complejo, por ser más de una razón las que conviven en la respuesta. Pero podría ser una suma de las siguientes:

  • Las empresas lo necesitan, es un lugar abierto de colaboración claramente conjunta, donde el desarrollo de proyectos es natural y muy activo. Quien está encuentra oportunidades y un espacio cómodo.
  • Porque la Universidad del País Vasco aporta el ímpetu de sus investigadores y conocimiento, el CFAA es una parte de un todo, un ecosistema muy fructífero: alumnos de doctorado, personal cualificado, formación a través de la investigación y viceversa. Lo que en todos los países es natural, que la universidad sea el ariete de la investigación aquí se hace realidad.
  • Porque las administraciones apoyan el proyecto, que realmente permite que el dinero invertido revierta a la sociedad y a la PIB. El apoyo público a iniciativas privadas, un caso de libro.

Seguramente no se podía pensar este éxito en 2013, cuando comenzó la idea. Tras paciencia, trabajo duro, procesos de compra de las máquinas, y apertura de miras se ha conseguido, es un éxito coral.

2019 es el año del 4.0, utilizar el CFAA como planta piloto de demostradores es un paso razonable sin un costo desmesurado. Acelerar la digitalización, escalar la fabricación aditiva y marcar líneas de investigación en la estrategia global de Fabricación avanzada. Este es el camino, y con las personas de los socios del CFAA, una meta casi asegurada.

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Un día a día en el CFAA: formación del CoBot de Alicona.
Powder HIP: Una alternativa tecnológica para la fabricación de carcasas aeronáuticas

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