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Maschinenfabrik Berthold Hermle AG

Udo Hipp / Marketing Manager

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La tecnologia Mill-Turn mette le ali ai componenti dei motori

15.03.2021
Hermle si affida alla lubrificazione a secco Aeorosol nella lavorazione del titanio, come nel caso di questo pezzo strutturale.

La tecnologia Mill-Turn mette le ali ai componenti dei motori

Ridurre il consumo di carburante, le emissioni e, ancor di più, la rumorosità: negli aerei i propulsori hanno un ruolo decisivo. Geometrie complesse, materiali ad alta resistenza e monitoraggio del processo senza soluzione di continuità sono cruciali per la sicurezza e il progresso nella produzione. Con le varianti Mill-Turn dei suoi centri di lavorazione ad alte prestazioni, la Hermle soddisfa gli elevati requisiti di produzione per i componenti del motore simmetrici alla rotazione, come i blisk.

"Ruotare" è il comando nella cabina di pilotaggio non appena la velocità, e quindi la portanza, sono sufficienti a superare la gravità. Il presupposto iniziale per riuscirci è il profilo dell'ala destra. Ma il fattore decisivo è il flusso dell’aria intorno all’aereo che è generato solo dalla spinta assicurata dai motori. Dalla metà del 20° secolo, i motori a reazione a doppio flusso, chiamati anche turboventole o motori di bypass, sono i più utilizzati sugli aerei e funzionano secondo il principio della reazione contraria. Ciò prevede che a monte del compressore e della camera di combustione sia presente una ventola di diametro significativamente più grande, la ruota a pale, visibile dall'esterno. Questa spinge gran parte dell'aria di alimentazione oltre il motore principale e genera così la spinta. La ventola è azionata dal motore principale, che quindi ha solo una piccola percentuale della spinta totale.

I motori moderni funzionano attraverso diversi alberi e un cambio per disaccoppiare il numero di giri della ventola dalla turbina. Lo sviluppo e l’ottimizzazione del motore a turboventola hanno portato enormi progressi in termini di efficienza di carburante e prestazioni.  Un fattore importante qui è il cosiddetto rapporto di diluizione tra i flussi di massa d'aria del flusso di bypass, che gira intorno alla turbina, e il flusso del nucleo. Mentre i motori moderni ora raggiungono un rapporto di diluizione di circa 10:1, i motori più vecchi operano ancora a valori di 5:1. I motori futuri dovrebbero raggiungere un rapporto di diluizione di 15:1, rendendoli significativamente più economici e più silenziosi.

 

Le pale della ventola vengono poi inserite nel disco della ventola. È stata prodotta su un Hermle C 62 U MT dynamic.

La vista di un motore mostra la ventola che, azionata dalla turbina, fornisce la spinta.

Progresso tecnico

Il trasporto di passeggeri e merci per via aerea è imprescindibile, anche se la crisi del coronavirus attualmente è responsabile di un crollo massiccio. Nel 2019, secondo l'Associazione tedesca del trasporto aereo (BDL), sono stati in totale 248 milioni i passeggeri in arrivo e in partenza negli aeroporti tedeschi, e sono state gestite più di 4,9 milioni di tonnellate di merci aeree. È difficile prevedere quanto ci vorrà prima che queste cifre saranno raggiunte di nuovo dopo la crisi. Che torneranno a crescere, è fuori discussione. Per il futuro dell'aviazione sono decisivi sia gli aspetti economici che quelli ecologici. L'obiettivo principale è ridurre il consumo di carburante e l'emissione di sostanze inquinanti e rumore. A riguardo ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe), un organismo consultivo europeo con membri della Commissione Europea e dell'industria aerospaziale, ha nominato obiettivi di sviluppo concreti nell’ambito della sua strategia di ricerca e innovazione: Secondo il "Flightpath 2050", le emissioni di CO2 devono essere ridotte del 75% e le emissioni di NOx del 90% per chilometro passeggero entro il 2050. L'ACARE chiede una riduzione dell'inquinamento acustico pari al 65%.

Per raggiungere questi obiettivi, gli sviluppatori di aerei e motori stanno lavorando per migliorare l'aerodinamica e il peso degli aerei, il carburante e i motori. Questi offrono attualmente il maggior potenziale per raggiungere le cifre ambiziose. Due parametri fisici sono particolarmente rilevanti qui: l'efficienza di spinta e l'efficienza termica. I nuovi sistemi a bassa pressione aiutano ad aumentare il rapporto di diluizione e quindi a generare più spinta con un consumo inferiore. Gli sviluppatori stanno raggiungendo i limiti teorici dell'efficienza termica anche attraverso pressioni più elevate, temperature o efficienze dei componenti, con l'aiuto di nuovi tipi di motori principali - dove le temperature superano i 2.000 gradi Celsius. Per ridurre il rumore, variano, tra l’altro, la forma e il numero delle singole pale della ventola.

Geometrie complesse e componenti di grandi dimensioni come questo modulo ventola: entrambi gestiti dal C 62 U MT dynamic.

Carichi in costante aumento

Geometrie più complesse, pressioni più elevate e temperature più critiche - ogni aumento dell'efficienza del motore significa anche un maggiore carico sui componenti del motore e quindi sui materiali e sui processi di produzione. La Maschinenfabrik Berthold Hermle AG è nota per produrre macchine fresatrici e centri di lavorazione di alta precisione. Nel 2010, lo specialista della lavorazione ha introdotto la sua prima macchina MT (Mill-Turn), la C 42 U MT. "Questa è stata la scintilla iniziale per il nostro grande ingresso nel settore aerospaziale", ricorda Martin Wener, responsabile del Key Account Management della Hermle. "In precedenza, non ci siamo concentrati particolarmente su questo settore, anche se naturalmente le nostre fresatrici erano già state utilizzate dai produttori di motori". Attraverso la tecnologia MT, la Hermle ha ampliato la sua base di utenti e ora si rivolge anche agli sviluppatori di motori, così che oggi un valore percentuale a due cifre del fatturato totale viene generato con la divisione aerospaziale.

Wener vede un segreto del successo nel concetto di macchina: "Possiamo orientare il corpo che stiamo sottoponendo a tornitura. Questo ci dà un enorme vantaggio rispetto ai torni convenzionali". È così perché l’inclinazione simultanea permette agli utenti di utilizzare utensili più corti e quindi più rigidi. Inoltre, anche i contorni complessi possono essere lavorati con un solo utensile. "I nostri utenti hanno quindi bisogno di meno utensili, che si trovano anche nella gamma standard. Questo permette loro di risparmiare i costi di investimento in modo significativo", spiega Wener.

Gli aspetti di precisione, stabilità e accuratezza a lungo termine sono altrettanto decisivi. "Una serie di motori è realizzata su un lungo periodo, fino a 20 anni. I produttori si aspettano che le nostre macchine siano precise e affidabili per altrettanto tempo, fino all'ultimo pezzo", dice Wener. "Questa è una sfida speciale, considerando che la lavorazione a 5 assi altamente complessa di materiali difficili da lavorare come l'Inconel o gli sviluppi interni resistenti alle alte temperature avviene sui nostri sistemi". Mentre la disponibilità dei pezzi di ricambio è rilevante per tutti i settori, il requisito di uniformità delle macchine è unico per la divisione aerospaziale. "Anche se un progetto dura diversi anni, possiamo garantire, su richiesta del cliente, che ogni macchina costruita e consegnata da noi durante questo periodo sarà identica. Indipendentemente dal fatto che ci siano stati aggiornamenti del sistema software o hardware durante questo periodo", spiega Wener. In questo senso, il concetto standard della Hermle ha un vantaggio rispetto alle macchine speciali.

Con il C 42 U MT dynamic, la Hermle è entrata nel 2010 nel campo della sofisticata lavorazione al tornio.

Una macchina, due processi

La Hermle offre attualmente tre macchine di linea ad alte prestazioni in versione MT: i modelli C 42 U, C 52 U e C 62 U. Con essi, il costruttore di macchine permette la lavorazione di tornitura simultanea di pezzi fino a un diametro di 1.200 millimetri e un'altezza di 900 millimetri. Il peso massimo durante la rotazione non deve superare 700 (C 42 U MT), 1.000 (C 52 U MT) o 1.500 chilogrammi (C 62 U MT), trattandosi di masse enormi che vengono messe in rotazione. La struttura rigida della macchina, essenziale per la lavorazione di tornitura, è fornita dalle macchine Hermle fin dall'inizio. D'altra parte, uno sviluppo che ha ricevuto una spinta significativa dalle applicazioni aerospaziali è il precarico idraulico del cuscinetto del mandrino. "Il mandrino è l'anello più debole dell’intero sistema. Abbiamo quindi sviluppato un sistema di irrigidimento in funzione del numero di giri", spiega il responsabile del Key Account Management. L’unità di comando regola in automatico il carico del cuscinetto: Con un basso numero di giri, il sistema del mandrino diventa significativamente più rigido; in altre parole, proprio quando la macchina sta trattando materiali difficili da lavorare. A questo scopo, i gruppi di cuscinetti sono inoltre caricati idraulicamente con un basso numero di giri. Se il numero di giri aumenta, la pressione idraulica diminuisce in modo che solo il gruppo molla determina il precarico del cuscinetto.

Il C 52 U MT è considerato dalla Hermle un "multitalento" flessibile, grazie alla sua ampia zona di lavoro in un ingombro minimo.

Il C 62 U MT dynamic è il modello di punta della linea ad alte prestazioni della Hermle e lavora in modo efficiente e altamente dinamico componenti che pesano fino a 2.500 kg.

Sensori per l’affidabilità operativa

Fresata con precisione dal pieno: una girante in titanio su un C 42 U MT dynamic.

Nella lavorazione dei componenti del motore, il monitoraggio del processo è anche essenziale. Se il danno si verifica più tardi nel motore, può essere devastante. Questo rende la documentazione completa delle singole fasi di produzione ancora più importante. "Un esempio di questo è il monitoraggio del refrigerante. Fornisce la prova che il refrigerante era sempre presente durante un'operazione di perforazione. Se il flusso di refrigerante fosse interrotto, questo potrebbe portare a un elevato effetto termico locale e quindi a cambiamenti nella struttura del materiale. Nel funzionamento successivo, c'è poi un rischio di guasto sotto carico elevato", spiega Wener. A questo scopo, nelle macchine di lavorazione vengono installati dei sensori che registrano la pressione e la portata nel circuito interno del refrigerante. I dati generati dal monitoraggio del processo vengono poi memorizzati con il componente.

I componenti includono i blisk, ad esempio. La parola deriva da "blade integrated disk" e si riferisce a un componente del motore che riduce significativamente il lavoro di assemblaggio e quindi i costi e il peso: invece di montare le singole pale (blade) su un disco, i profili sono fresati dal pieno. Il tempo di lavorazione dura fino a 20 ore. Una sfida qui è la giusta strategia di lavorazione - le lunghe lame non devono oscillare durante la lavorazione. A ciò si aggiunge l’usura degli utensili. "È qui che gli utenti beneficiano dell'automazione del nostro strumento", spiega il responsabile del Key Account Management. L’usura è molto alta quando si lavorano materiali difficili da trasformare. "Il cambio utensile non presidiato significa spesso un aumento significativo dell’efficienza", sottolinea Wener. A causa dei lunghi tempi di lavorazione, un cambiatore di pallet è sufficiente per il caricamento automatico dei centri di lavorazione.

Alla fine, i costruttori di motori tengono in mano un blisk del valore di circa 100.000 euro, che è pronto per il montaggio, tranne che per un’operazione di finitura per compattare la superficie. Ma non è solo il risultato della lavorazione ad essere convincente. "Riceviamo spesso un riscontro da i clienti che si sentono molto ben assistiti da noi", racconta Martin Wener. Ciò inizia con la gestione attenta dei loro desideri e continua con la tecnologia di applicazione Hermle, che consiglia rapidamente, sviluppa soluzioni insieme all'utente ed esegue anche prove di fresatura a breve termine, fino al servizio, che è spesso considerato un punto di riferimento nella produzione di macchine utensili.

Uno sguardo alla C 42 U MT dynamic: la tornitura trocoidale è utilizzata per la lavorazione del contorno interno di un carter del motore.

Materiali difficili da lavorare, grandi diametri e tolleranze strette: la Hermle produce un alloggiamento per turbina in titanio sul C 62 U MT dynamic.

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