Mecanizado CNC aeroespacial:piezas ligeras de titanio y más

La industria aeroespacial mundial es un hervidero de innovación en diseño y fabricación, con millones y millones de piezas metálicas complejas producidas anualmente.

Una herramienta importante a disposición de la industria aeroespacial es el mecanizado CNC. El mecanizado aeroespacial conduce a piezas de aeronaves avanzadas fabricadas con metales ligeros como el titanio y el aluminio, mientras que el mecanizado también es una valiosa herramienta de creación de prototipos para los departamentos de I+D aeroespacial.

El mecanizado aeroespacial también cubre una gama de aplicaciones. Ya se trate de aviones comerciales, vehículos militares o incluso viajes espaciales, el mecanizado CNC tiene un papel muy importante que desempeñar en el desarrollo y la producción de componentes aeroespaciales de precisión.

Este artículo sirve como una descripción general de cómo se utiliza el mecanizado CNC en la industria aeroespacial. Examina aplicaciones de mecanizado CNC aeroespacial, materiales de mecanizado aeroespacial y más.

¿Qué es la industria aeroespacial?

La industria aeroespacial es una industria muy diversa que comprende muchos subsectores, que abarcan desde la aviación comercial hasta la exploración espacial. Su valor como industria global se estima en alrededor de $ 800 mil millones.

La fabricación aeroespacial implica la producción de piezas para clientes comerciales, industriales y militares, y los gobiernos son algunos de los mayores contratistas de la industria. En los Estados Unidos, por ejemplo, los dos mayores compradores de bienes aeroespaciales son el Departamento de Defensa y la NASA, la agencia de investigación aeronáutica y espacial del país.

Debido a la gran cantidad de subsectores aeroespaciales y la gran cantidad de aplicaciones y productos dentro de esos subsectores, la industria aeroespacial requiere una amplia gama de tecnologías de fabricación, desde técnicas tradicionales como la fundición y la soldadura hasta tecnologías de vanguardia como la fabricación aditiva de metal. El mecanizado CNC aeroespacial se encuentra en algún lugar entre esos dos extremos, siendo una tecnología altamente establecida que, sin embargo, ofrece posibilidades de diseño y materiales de vanguardia.

¿Qué es el mecanizado aeroespacial?

El mecanizado es el proceso de fabricación de eliminar secciones de material de una pieza de trabajo utilizando herramientas de corte operadas por máquinas. Y el mecanizado CNC es una versión digital del mecanizado:las computadoras controlan las herramientas de corte motorizadas para formar piezas nuevas con rapidez y precisión.

El mecanizado CNC aeroespacial se remonta casi a la invención del propio mecanizado CNC, en 1942. Una de las primeras aplicaciones del mecanizado CNC aeroespacial fue la producción de mamparos y revestimientos de alas. Hoy en día, se pueden mecanizar muchas piezas aeroespaciales, como transmisiones, componentes del tren de aterrizaje y componentes eléctricos. El mecanizado también se puede usar para reparar o modificar piezas existentes, para agregar características detalladas o para agregar información textual grabada, como números de serie.

Dado que muchos trabajos de mecanizado aeroespacial implican la producción de componentes críticos de uso final, se requiere un mecanizado de precisión con centros de mecanizado de 5 ejes de alta calidad. Ciertas piezas, como los componentes de un motor a reacción, por ejemplo, pueden requerir tolerancias de hasta 4 micras, mucho más estrictas de lo que normalmente se acepta durante el mecanizado CNC.

El mecanizado aeroespacial también es una forma importante de creación de prototipos durante la investigación y el desarrollo. Las máquinas CNC son adecuadas para la creación de prototipos de piezas aeroespaciales de metal que luego se fabricarán mediante fundición u otras técnicas.

Piezas mecanizadas aeroespaciales

El mecanizado aeroespacial es responsable de muchas piezas aeroespaciales, desde componentes vitales de motores a reacción de titanio hasta piezas interiores de cabina de plástico liviano.

Las piezas que se prestan para el mecanizado CNC aeroespacial suelen ser piezas de bajo volumen que requieren alta resistencia y características finas. Estas piezas generalmente tienen un tamaño limitado por el tamaño de los centros de mecanizado CNC, pero se pueden usar varios materiales diferentes, generalmente titanio o aleaciones de aluminio, pero también hay otras opciones disponibles como plásticos de ingeniería y compuestos. Algunas piezas solo se pueden mecanizar después de fundirlas o extruirlas.

El mecanizado aeroespacial se puede utilizar para prototipos y piezas de uso final. Sin embargo, las piezas de uso final deben cumplir estrictos criterios, estándares y certificaciones de seguridad.

Las piezas aeroespaciales mecanizables incluyen (pero no se limitan a):

• Componentes del tren de aterrizaje
• Álabes de turbinas y otros componentes de motores a reacción
• Carcasas de motor
• Sistemas de generación de oxígeno
• Cuerpos filtrantes para sistemas de filtración de líquidos y aire
• Conectores eléctricos para sistemas eléctricos
• Controles de movimiento
• Actuadores
• Componentes del fuselaje
• Costillas del ala
• Discos
• Ejes para transferencia de potencia
• Carcasas de misiles y otros componentes
• Piezas de cabina
• Asientos, reposabrazos y bandejas

Certificaciones de mecanizado aeroespacial

El mecanizado CNC aeroespacial es un procedimiento crítico que no deja lugar a errores. Mientras que algunas industrias permiten tolerancias amplias y variaciones de materiales, la industria aeroespacial exige precisión y consistencia total para garantizar la seguridad humana.

Las diferentes aplicaciones y piezas deben cumplir con diferentes estándares y certificaciones, y existen algunos estándares específicos de cada país, así como estándares internacionales. Sin embargo, una certificación particularmente importante aplicable a muchas aplicaciones es la AS9100 certificación, un estándar internacional SAE otorgado a los proveedores que se describe como un "Modelo para el aseguramiento de la calidad en el diseño, desarrollo, producción, instalación y mantenimiento" en la industria aeroespacial.

Una extensión de ISO 9001 , no se requiere la certificación AS9100 para toda la producción de piezas aeroespaciales, pero los clientes pueden buscar proveedores con la certificación para garantizar la calidad.

Otras certificaciones importantes para el mecanizado aeroespacial incluyen ITAR (Reglamento Internacional de Tráfico de Armas), un conjunto de directrices del Departamento de Estado de EE. UU. que describen los requisitos de EE. , que indican el cumplimiento del requisito de verificación de piezas aeroespaciales.

Dichas certificaciones no se requieren necesariamente para la creación de prototipos aeroespaciales, ya que los prototipos no se utilizarán en aeronaves activas.

Materiales de mecanizado aeroespacial

El mecanizado CNC es un proceso versátil que se puede utilizar para fabricar componentes tanto de metales como de plásticos. En la industria aeroespacial, sin embargo, reinan dos metales particulares:el titanio y el aluminio. Esto se debe a la alta resistencia (especialmente titanio) y peso ligero (especialmente aluminio) de los materiales.

Aleaciones de titanio

Ninguna industria en todo el mundo utiliza más aleación de titanio que la aeroespacial. Es fácil ver por qué esto es así:el metal tiene una excelente relación resistencia-peso, resiste la corrosión y se desempeña a un alto nivel a temperaturas extremas. El titanio se ha convertido en un material básico en la producción aeroespacial y su uso aumentará aún más durante el próximo siglo.

Las aeronaves que utilizan grandes cantidades de titanio para sus diversos componentes incluyen vehículos comerciales como el AirBus A380 y el Boeing B787, así como aeronaves militares como los helicópteros F-22, F/A-18 y UH-60 Black Hawk.

Las piezas aeroespaciales de titanio incluyen componentes de fuselajes y motores a reacción, como discos, palas, ejes y carcasas. Muchos de estos se pueden mecanizar.

Debido a que el titanio es más duro que el aluminio, puede ser más complicado para la máquina CNC, lo que provoca el desgaste de la herramienta y la acumulación de calor. Esto significa que el mecanizado aeroespacial de titanio puede requerir unas RPM de máquina reducidas y una mayor carga de virutas. (Consulte nuestra guía para mecanizar titanio para obtener más información). Sin embargo, dado que el mecanizado aeroespacial generalmente involucra el equipo de mecanizado más avanzado y de alta gama disponible, esto rara vez es un problema.

Aleaciones de aluminio

Otro metal ampliamente utilizado en el mecanizado aeroespacial, y que existe desde hace más tiempo que el titanio y los compuestos modernos, es el aluminio.

Las aleaciones de aluminio son ligeras y tienen una alta resistencia a la tracción. El aluminio forma una capa de óxido cuando se expone al aire, lo que lo hace resistente a la corrosión, y también es muy maleable (más que el titanio), lo que facilita el mecanizado CNC.

En el mecanizado CNC aeroespacial, la aleación de aluminio más común es el aluminio 7075, cuyo principal elemento de aleación es el zinc. Aunque no es tan maquinable como otras aleaciones, la 7075 tiene una excelente resistencia a la fatiga. Muchos componentes de las alas, el fuselaje y la estructura de soporte están hechos de este material.

Otras aleaciones de aluminio aeroespaciales mecanizables incluyen 4047 (revestimiento/relleno), 6951 (aletas) y 6063 (estructural). Las aleaciones de la serie 6000 generalmente se consideran más mecanizables que otras.

Superaleaciones de Inconel

Special Metals Corporation ha desarrollado una gama de superaleaciones austeníticas basadas en cromo-níquel denominadas Inconel.

Un grado particular del material, Inconel 718, fue desarrollado específicamente para aplicaciones aeroespaciales. Uno de sus primeros usos de alto perfil fue para la caja del difusor del motor a reacción (una parte de presión extremadamente alta que une el compresor con la cámara de combustión) del motor Pratt &Whitney J58, que se usó en vehículos como el Lockheed SR-71 Blackbird. .

Inconel 718 ha sido utilizado más recientemente por SpaceX de Elon Musk en el colector de su motor Merlin , impulsando el vehículo de lanzamiento Falcon 9 . También se encuentra en otros componentes aeroespaciales como álabes de turbinas, sistemas de conductos y sistemas de escape de motores.

Como metal endurecido por trabajo, el Inconel 718 debe mecanizarse con el menor número de pasadas posible; los maquinistas generalmente implementan un corte agresivo pero lento usando una herramienta de corte duro. Sin embargo, la superaleación tiene una buena soldabilidad.

Plásticos de ingeniería

Además de metales como el titanio y el aluminio, el mecanizado aeroespacial puede implicar el uso de plásticos de alto rendimiento como PEEK, policarbonato y Ultem.

Los plásticos pueden ser un sustituto útil de los metales debido a su peso muy ligero, buena resistencia a impactos y vibraciones, propiedades de sellado y resistencia química. También ofrecen un aislamiento eléctrico superior a los metales.

El mecanizado CNC aeroespacial de plásticos de ingeniería puede producir piezas aeroespaciales como interiores de cabina, bandejas, reposabrazos, carcasas, almohadillas de desgaste, aislamiento, tuberías, componentes de válvulas y paneles de instrumentos retroiluminados.

Una consideración importante es que los plásticos aeroespaciales deben cumplir requisitos específicos de llama, humo y toxicidad. Los materiales adecuados incluyen nailon (ciertos grados, incluido el nailon 6), PEEK, Ultem y PPS.