Nuove vette per nuovi materiali

Nello sviluppo di strumenti avanzati per la lavorazione di componenti aerospaziali, a volte basta un semplice microscopio per capire come un materiale interagisce con l'utensile da taglio.

I progressi dell'industria aerospaziale sono spesso legati ai progressi dei materiali, in particolare al rapporto forza-peso e alla resistenza alle temperature dei nuovi materiali.

I materiali scelti oggi per i motori aerospaziali sono le superleghe resistenti al calore, o HRSA, un complesso cocktail di metalli speciali - nichel, cobalto, ferro e alcune leghe a base di TiAl (alluminuro di titanio) - che offrono vantaggi cruciali come la possibilità di raggiungere temperature di esercizio elevate. Molti di questi componenti hanno forme complesse e possono essere stampati in 3D. Ciò crea a sua volta nuove opportunità e sfide di produzione per i produttori di macchine utensili come Sandvik Coromant.

Il trucco nella progettazione degli utensili

Fin dall'inizio del volo con equipaggio che utilizzava aeroplani in legno e tessuto, il nome del gioco per i produttori è stato quello di ridurre il peso del velivolo. Nel corso degli anni, le costruzioni in lega di alluminio e titanio hanno sostituito il legno e il tessuto, e alla fine sono entrati in gioco la fibra di carbonio e i materiali compositi.

Rispetto ai materiali standard come il ferro, i materiali HRSA di oggi, in tutte le loro permutazioni chimiche e fisiche, hanno proprietà volubili. Sono necessari strumenti più avanzati per tagliare e rifinire i componenti aerospaziali in lotti che abbiano senso dal punto di vista finanziario e ingegneristico per i produttori.

Checking wear under the microscope.

"Il trucco nella progettazione degli utensili da taglio è sempre stato quello di aumentare la durata dell'utensile riducendo l'usura e ottenendo allo stesso tempo velocità di taglio più elevate", afferma Stina Odelros, Senior R&D Engineer di Sandvik Coromant. "Ma l'industria aerospaziale richiede tolleranze estremamente elevate dei componenti e a volte non c'è la possibilità di cambiare l'utensile durante il processo, quindi sviluppiamo costantemente nuovi utensili con prestazioni migliori. Dobbiamo sapere quali sono le difficoltà dei nostri clienti e poi cerchiamo di risolvere i loro problemi".

Costantemente a punto con i materiali

Odelros spiega che i produttori e i fornitori di aeroplani modificano costantemente materiali come l'HRSA e altre miscele di leghe per raggiungere questi obiettivi. Oltre ai vincoli di peso, un componente del motore deve anche essere in grado di resistere a temperature esterne dell'aria fino a meno 60 gradi Celsius e a temperature interne del motore di circa 2.000 gradi Celsius.

Lo sviluppo di utensili per questo settore così esigente è complicato. L'unico metodo per vedere come funziona un utensile è osservare gli inserti usati al microscopio per vedere come si consumano. "Non possiamo accedere a tutti questi materiali sul mercato, quindi dipendiamo dalle collaborazioni con i clienti chiave che ci dicono come si comportano i nostri inserti", dice Odelros.

Il fulcro del lavoro di R&S

Come spiega Odelros, un componente aeronautico stampato in 3D, forgiato o fuso non può essere tornito, fresato, rifinito o forato con un utensile usato in precedenza. A volte la lavorazione di un componente del motore grande e costoso può richiedere una o due settimane, e ogni passaggio di lavorazione deve essere continuo per evitare qualsiasi carenza strutturale. Un guasto all'utensile a metà di questo processo non è accettabile, perché potrebbe portare a un guasto del pezzo. E un cedimento di un pezzo in un motore potrebbe essere catastrofico se si verificasse a mezz'aria.

Senior R&D Engineer Stina Odelros.

Oltre all'usura controllata, Odelros cerca al microscopio l'entità dell'usura e l'eventuale presenza di tipi di usura più imprevedibili, come scheggiature o fratture, che nel peggiore dei casi potrebbero portare a costosi fallimenti di produzione.

Questo è il punto cruciale del lavoro di ricerca e sviluppo. Mentre un inserto in metallo duro non è più grande di un'unghia media, le permutazioni della sua costruzione - angoli, substrati, rivestimenti, costituzione del materiale, struttura cristallina e trattamenti come la deposizione chimica o fisica da vapore - sono quasi infinite. La giusta combinazione e il giusto mix possono dare risultati su misura per gli usi specifici del cliente.