Excelencia en la vía rápida: Entrega de motores de aviones de alta calidad a tiempo

Para este primer artículo de una serie sobre construcción de aviones, nos centramos en piezas y componentes de motores, destacando los problemas reales que los fabricantes de herramientas ayudan a resolver a sus clientes cada día. También echamos un vistazo en profundidad a lo que ocurre en la fabricación de piezas aeroespaciales ahora mismo.

¿Cuál es el estado de la industria aeroespacial y de defensa ahora mismo? El impulso para construir aviones rápido y entregar a tiempo es muy real — pero no está exento de obstáculos o costos.

A nivel de fabricación de piezas, los materiales resistentes al calor y compuestos pueden ser extremadamente difíciles de cortar. En consecuencia, los fabricantes aeroespaciales tienen que volverse muy estratégicos en su ingeniería de procesos, programación de máquinas y selección de herramientas, según tres importantes fabricantes de herramientas que entrevistamos.

Volverse estratégico es muy cierto para todos los componentes complejos que componen un motor a reacción donde las piezas forjadas individuales de $75,000 son la norma — y desechar una es una opción costosa e indeseada. La velocidad, aunque esencial, no tiene precedencia sobre resultados predecibles y confiables.

Aeroespacial y Defensa: Aumento de producción significa que se necesitan estrategias de herramientas avanzadas

"A medida que vemos que los fabricantes de equipos originales aumentan las tasas de producción, persiste el riesgo de que los proveedores enfrenten dificultades para aumentar la producción", dice Robin Lineberger, líder de la división aeroespacial de Deloitte, en el informe "Perspectivas globales de la industria aeroespacial y de defensa 2019". "Para superar este desafío, los fabricantes deberían considerar profundizar su enfoque en fortalecer la cadena de suministro, gestión eficaz de programas y el uso de tecnologías avanzadas para mejorar la productividad y eficiencia".

En su informe, Deloitte espera que 2018 cierre con unos 1.600 aviones para el año — y predice 100 más que eso para 2019. La demanda de producción a menudo significa usar máquinas de mayor rendimiento y multitarea. Las "tecnologías avanzadas" que menciona incluyen todo, desde metrología basada en sensores en proceso hasta mecanizado multieje de alta velocidad hasta herramientas de alta ingeniería, especializadas, destinadas a cualquier especificación de material que esta industria altamente regulada presente.

Lo que Deloitte no señala es que una máquina avanzada de 5 ejes puede tardar de seis meses a un año en llegar. Así que mientras esas están en pedido pendiente, algunos subcontratistas están gestionando con sistemas de 3 ejes existentes u otra maquinaria envejecida — y muchos "proveedores" de piezas aeroespaciales terminadas están teniendo que repensar estrategias de herramientas mientras esperan, explican los fabricantes de herramientas.

"Quieren formas más rápidas de fabricación", dice Bill Durow, gerente global de ingeniería con foco en aeroespacial en Sandvik Coromant. "Quieren correrlas a velocidades más altas ya sea en desbaste o acabado. Hoy, el volumen de motores que se están produciendo está en una tasa que nunca hemos visto antes en la industria".

Encontrar los grados y herramientas de inserción correctos diseñados específicamente para superaleaciones resistentes al calor, también conocidas como "HRSAs", es muy posible hoy. Pero todavía hay una curva de aprendizaje sobre estos materiales más nuevos y las geometrías necesarias para cortarlos, dicen los fabricantes de herramientas.

Las herramientas diseñadas para cortar acero 4140, por ejemplo, probablemente no sean las mejores para cortar Inconel, titanio o plástico reforzado con fibra de carbono, o "CFRP". En los últimos años, algunos componentes estáticos y rotativos de motores que solían ser de titanio ahora se fabrican con materiales compuestos de matriz cerámica, o "CMCs", dicen ingenieros de Seco Tools.

"El arte de todo esto es la sinergia de ponerlo todo junto", dice Dave Todd, gerente de zona oeste y aeroespacial, en Seco Tools. "Nuestras habilidades hoy han cambiado en aeroespacial, y nos hemos convertido mucho más en una consultoría trabajando con socios tecnológicos, proveedores de primer nivel y academia ... Gran parte de la ingeniería de procesos se hace fuera de sitio en nuestro centro tecnológico".

Los tres fabricantes de herramientas tienen laboratorios de prueba que usan para validar soluciones potenciales para sus clientes. Los tres también prefieren hacer una mezcla de pruebas basadas en laboratorio, así como pruebas in situ para asegurar que las estrategias exactas funcionen en la línea de producción física real.

¿Pensando en oportunidades de fabricación de piezas en aeroespacial y defensa? Lea "Fabricación 101: Convertirse en parte de la industria aeroespacial".

El problema y soluciones para gestionar el calor en la zona de corte

La eficiencia de combustible está impulsando la demanda de componentes más ligeros usando materiales resistentes al calor que pueden ser difíciles de mecanizar. Parte del impulso para un rendimiento de motor más eficiente es ambiental: Una combustión más limpia también es más eficiente.

"Los requisitos de ingeniería lo llevan al nivel del proveedor — lo que significa que debe tener un tiempo de respuesta más rápido en tecnología de herramientas para soportar materiales avanzados", dice Scott Causey, especialista en segmento de mercado en Seco Tools. "Y algunos de los materiales pueden requerir una estrategia de herramientas completamente diferente para cortar simplemente basándose en su complejidad: Un material HRSA regular no usa la misma estrategia de corte que un compuesto de matriz cerámica".

Un material CMC es estratificado y puede romperse fácilmente si no se maneja correctamente.

Pero también piense en esto: El material resistente al calor — que es excelente para la eficiencia de un motor a reacción insanamente caliente — también genera mucho calor al cortar. Los grados de herramienta requieren un nivel de resistencia al calor para siquiera hacer el trabajo.

Para ayudar a satisfacer la necesidad de refrigerante, la entrega a través de la herramienta se ha convertido en un detalle esencial en herramientas para mecanizado avanzado. Los fabricantes de herramientas están encontrando consistentemente nuevas innovaciones en la entrega de refrigerante — incluyendo algunas herramientas que tienen múltiples puertos para entregar en las ubicaciones de corte más inmediatas en el momento más efectivo.

Hablando de refrigerante: ¿Hacia dónde se dirige la tecnología de enfriamiento? Descúbralo en "El futuro de los fluidos de trabajo de metales, lubricantes de máquinas y refrigerantes".

Enfoque en motores de aviones

Las geometrías necesarias para cortar formas y materiales de piezas de motor requieren pensamiento dimensional. Hay blisks y álabes de forma única que pueden combinar diferentes materiales — un compuesto con titanio, por ejemplo.

Para combatir eso, estos fabricantes diseñan y prueban una gama completa de grados destinados a cortar los materiales más desafiantes — Inconel, HRSAs, titanio y muchos otros. Y hay otra forma: Construyen herramientas aeroespaciales personalizadas según sea necesario. Estas herramientas personalizadas a menudo se convierten en líneas de productos estándar para todos los clientes.

Tres de los principales fabricantes de herramientas describen cómo las especificaciones OEM y geometrías únicas de piezas aeroespaciales han impulsado el utillaje personalizado hacia convertirse en líneas de productos estándar — una vez probadas en el campo. Los tres fabricantes tienen programas para aeroespacial — y piezas muy específicas optimizadas para las aplicaciones de componentes de motor de hoy, incluyendo: blisk/impulsores, álabes, discos de turbina, carcasas de turbina, carretes, carcasas de ventilador y ejes.

Aquí hay cuatro ejemplos de componentes reales de motores que se están fabricando donde el utillaje correcto tuvo un impacto. Todos incluyen fabricantes aeroespaciales Tier 1 con un promedio de 35 a 40 máquinas en su taller que funcionan 365/24/7. Estos no son en absoluto las únicas áreas de ofertas de componentes de motor para estos fabricantes.

Sandvik Coromant aborda la productividad en Blisks

Desafío: Tomaba siete días fabricar un blisk. La pieza a base de níquel tenía una pala profunda y una ranura estrecha. El desbaste de largo alcance resultó ineficaz con enfoques de fresado tradicionales. El empaquetado de virutas era excesivo. Las máquinas se estrellaban.

"Vimos lo que estaban haciendo, simplemente quemando fresas de mango, a ranura completa: Ida y vuelta, ida y vuelta, ida y vuelta", dice Durow. "Tenían herramientas redundantes, las llevaban a la rectificadora, luego las reutilizaban ... Tomaba mucho tiempo y usaba muchas fresas de mango".

Solución: Una herramienta de hundimiento de carburo sólido similar a lo que se había hecho en operaciones de troqueles y moldes. Además, se usó una segunda herramienta con un diámetro más pequeño para limpiar las crestas.

"Llevamos nuestra pieza de prueba al laboratorio, y se nos ocurrió la idea de usar rutinas de hundimiento", dice Durow. "Funcionó realmente, realmente bien. Y lo bueno fue que casi eliminamos otra operación de semiacabado con la limpieza secundaria".

Resultado: Redujo cuatro días de los siete días de producción del blisk con desbaste y semiacabado. También terminó convirtiéndose en una oferta estándar para aplicaciones de blisk.

Kennametal salva una gran compra con un álabe

Desafío: Un álabe de forma irregular hecho de Inconel se estaba cortando en un proceso de mecanizado electroquímico, o "ECM", donde la pieza de trabajo era sujetada por un material de aleación de Bismuto. Los cortes agresivos del material en bruto no eran posibles, por lo que la producción era lenta. Fuerzas pulsantes causaban chatter y vibración — y mala vida de herramienta.

Solución: Diseñaron una estrategia de corte que ajustaba la hélice, el número de canales y la microgeometría de la herramienta para minimizar el empuje hacia cortes más pesados. Para cortes más ligeros, aumentaron la hélice y cambiaron el diámetro y el número de canales para asegurar tres puntos de contacto a través de la rotación.

Resultado: Corte suave, mayor vida de herramienta y mayores tasas de remoción de metal. El cliente pudo cancelar el pedido de una máquina nueva de $1 millón que estaba a punto de pedirse.

Seco Tools toma el control de ranuras de corte en un disco de motor

Desafío: Problemas de control de viruta al cortar ranuras profundas en Inconel 718 tratado térmicamente en un disco de compresor que sujeta las palas del ventilador. Rutinas de hundimiento profundo llevan a rotura de herramienta y mala vida de herramienta.

Solución: Un sistema de torneado y ranurado multidireccional combinado con refrigerante de alta presión. Una estrategia de corte geométrica en zigzag y rampa ayudó a adelgazar virutas, reducir calor y ganar considerable vida de herramienta.

Resultado: Una reducción del 15 al 20 por ciento en el tiempo de ciclo. Ganó control del proceso y redujo la carga para intervención manual que consume tiempo.

Kennametal elimina vibración en una carcasa de motor

Desafío: Remover una pulgada completa de titanio para una carcasa de motor pero no se podía tornear. Había demasiada fuerza de corte y poca productividad de las herramientas existentes. Era difícil sortear áreas de características específicas.

"Las carcasas de motor se supone que son redondas, ¿verdad? Pero realmente no lo son", dice Mark Francis, ingeniero de personal de proyecto para aeroespacial y defensa en Kennametal. "Están llenas de características que eliminan la capacidad de simplemente hacer un ciclo de torneado simple ... Diría que el 80 por ciento del tiempo, el material se corta por fresado".

Solución: Usar una herramienta especializada que pudiera ajustarse alrededor del diámetro y eliminar simultáneamente la vibración y el empuje.

Resultado: Una línea de producción estable y confiable con eficiencia de corte de metal predecible. Herramientas personalizadas que llevan a convertirse en estándar.

La importancia del proceso de producción y costo por componente

Tenga en cuenta: La mayoría de los proveedores Tier 1 de fabricación de piezas aeroespaciales no están ejecutando el mismo equipo de mecanizado exacto — aunque puedan estar construyendo las mismas piezas de las mismas especificaciones OEM. Los fabricantes de herramientas y especialistas en trabajo de metales tienen que entender cada entorno de mecanizado y diseñar estrategias que funcionen para cada entorno único.

Independientemente, los tres fabricantes de herramientas, que son competidores, querían que una cosa fuera abundamente clara: El énfasis debe estar en las ganancias de productividad al usar las herramientas correctas destinadas a realmente impactar la productividad y precisión. También creen que una visión más holística de la métrica de costo por componente ayuda a cumplir con la entrega a tiempo de más y más aviones.

La prueba, dicen, está en la productividad.

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