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La tecnología MillTurn revoluciona los componentes de motores

15.03.2021
Hermle apuesta por la lubricación en seco de aerosol en el mecanizado del titanio, como en esta pieza estructural.

La tecnología MillTurn revoluciona los componentes de motores

Aeronaves con menos consumo de combustible, menos emisiones y bastante menos ruido: a lo hora alcanzar este objetivo, los motores desempeñan un papel crucial. Las geometrías complejas, los materiales altamente resistentes y una supervisión completa del proceso resultan fundamentales para la seguridad y el progreso durante la fabricación. Con las variantes Mill-Turn de sus centros de mecanizado de la gama High Performance, Hermle satisface los requisitos que plantea la fabricación compleja de componentes de motores de haz rotosimétrico, como los blisks.

Por «Rotate» se entiende el comando que se proporciona en la cabina al alcanzar una velocidad y, por lo tanto, un impulso suficiente para vencer la fuerza de la gravedad. Para que esto ocurra, las alas deben presentar un perfil adecuado, un aspecto determinante para generar el flujo circundante. Los motores son los encargados de generar el impulso que, en primer momento, genera el flujo circundante. Desde mediados del siglo XX, los motores de acero de dos flujos, también denominados turbofáns o motores bypass, son los motores de aviones más utilizados. Su principio se basa en el efecto rebote. Para ello, se ha instalado un ventilador previo al compresor y a la cámara de combustión, con un diámetro bastante mayor. Este se corresponde con la rueda aerodinámica visible desde el exterior. Su función es impulsar gran parte del aire de entrada en el núcleo del motor y generar así el impulso. El ventilador es accionado por el núcleo del motor que, a su vez, cuenta con una escasa proporción del impulso total.

Para desacoplar el número de revoluciones del ventilador de la turbina, los motores modernos funcionan con un engranaje y varios árboles. El desarrollo y la optimización gradual del motor turbofán ha significado un avance enorme en cuanto a la eficiencia de combustible y potencia. Un aspecto importante en este contexto es la denominada relación de derivación entre los caudales másicos de aire del caudal de derivación que fluye alrededor de la turbina y de la corriente del núcleo. Mientras que los motores antiguos funcionan con valores de 5:1, los motores modernos alcanzan una relación de derivación de aproximadamente 10:1. Se prevé que los accionamientos del futuro alcancen una relación de derivación de 15:1 y que, por lo tanto, sean más silenciosos y económicos.

 

El disco de ventilador, en el que se colocan posteriormente las aspas, se fabricó en un C 62 U MT dynamic de Hermle.

Al observar el motor, se aprecia el ventilador que genera el impulso accionado por la turbina.

Progreso técnico

Pese al enorme desplome que está causando actualmente la crisis del coronavirus, nos resultaría prácticamente imposible imaginar un mundo sin el transporte aéreo de personas y mercancías. Según los datos de la Asociación Federal de la Aviación alemana (BDL), en 2019 más de 248 millones de pasajeros embarcaron o aterrizaron en los aeropuertos alemanes y se manipuló más de 4,9 millones de toneladas de carga aérea. Hoy día resulta difícil predecir cuándo volverán a recuperarse estas cifras una vez finalizada la crisis. Sin embargo, no existe la menor duda de que las cifras van en aumento. Los aspecto económicos y ecológicos resultan cruciales para el futuro de la aviación. El objetivo principal es reducir el consumo de combustible, así como la emisión de contaminantes y ruido. El ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe), un consejo consultivo formado por miembros de la Comisión Europea y la industria aeroespacial, ha citado unos objetivos de desarrollo concretos en este contexto dentro del marco de su estrategia de innovación e investigación: Según el «Flightpath 2050», las emisiones de CO2 y NOx deberán reducirse en un 75 % y 90 % respectivamente por pasajero y por kilómetro para el año 2050. En lo que respecta a la contaminación acústica, el ACARE promueve un descenso del 65 %.

Para alcanzar estos objetivos, los desarrolladores de aeronaves y motores trabajan para mejorar la aerodinámica, el peso del aparato, el combustible y el motor.  Son estos elementos los que reúnen el máximo potencial para alcanzar estas cifras ambiciosas. En este sentido, nos encontramos con dos variables físicas de especial interés: la efectividad del avance y la efectividad térmica. Los nuevos sistema de baja presión contribuyen a aumentar la relación de derivación y, por consiguiente, generan un mayor impulso con un menor consumo. Los desarrolladores han logrado acceder al límite teórico de la efectividad térmica, entre otros, aumentando las presiones, las temperaturas o la efectividad de los componentes con ayuda de motores novedosos, en los que se alcanzan unas temperaturas de más de 2000 grados Celsius. Para reducir la emisión de ruido, varían la forma y la cantidad de cada una de las aspas del ventilador, entre otros elementos.

Geometrías complejas y piezas grandes como este módulo de ventilador: el C 62 U MT dynamic es capaz de afrontar ambos retos.

Aumento constante de las cargas

Geometrías complejas, presiones altas y temperaturas críticas: una mejora de la eficiencia en el motor implica un aumento de la carga del resto de componentes del motor y, por ende, de los combustibles y los procesos de producción. La empresa Maschinenfabrik Berthold Hermle AG es conocida por sus fresadoras y centros de mecanizado de alta precisión. En 2010, el especialista en mecanizado presentó con el C 42 U MT su primera máquina MT (Mill-Turn). «Esta máquina representa el impulso inicial para el gran acceso al sector aeronáutico», recuerda Martin Wener, jefe de Gestión de cuentas clave en Hermle. «Pese a que nuestras fresadoras ya hayan sido empleadas por parte de fabricantes de motores, hasta la fecha no nos hemos centrado especialmente en este sector». Gracias a la tecnología MT, Hermle ha ampliado su círculo de usuarios y se dirige ahora también a los desarrolladores de motores con el fin de generar un valor porcentual de dos cifras de la facturación total a través del segmento de negocio aeroespacial.

Martin Wener prevé la clave del éxito en el concepto de la máquina: «Somos capaces de voltear el cuerpo que mecanizamos de forma giratoria. De este modo, obtenemos una enorme ventaja en comparación con los tornos convencionales». Gracias al volteo simultaneo, los usuarios pueden emplear herramientas más cortas y, por lo tanto, más rígidas. Además, es posible mecanizar contornos complejos con una sola herramienta. «Nuestros usuarios necesitan así menos herramientas disponibles en la gama estándar. Esto permite un ahorro notable de los costes de inversión», explica Martin Wener.

Los aspectos de exactitud, estabilidad y precisión de larga duración son igualmente importantes. «Una serie de motores se produce a lo largo de un largo periodo de hasta 20 años. Los fabricantes esperan de nuestras máquinas una precisión y fiabilidad duraderas hasta el último componente», comenta Martin Wener. «Se trata de un verdadero reto teniendo en cuenta que en nuestras plantas mecanizamos en centros de cinco ejes materiales difícilmente mecanizables, como es el caso del Inconel o de desarrollos propios termorresistentes». Mientras que la disponibilidad es un aspecto relevante para cualquier sector, la demanda de una máquina uniforme representa una particularidad dentro del negocio aeroespacial. «Aunque un proyecto se extienda durante varios años, podemos garantizar a petición del cliente que las máquinas que se construyan y se entreguen en ese periodo de tiempo sean idénticas. Todo esto con independencia de si en este intervalo se han realizado actualizaciones en el software o hardware del sistema», declara Martin Wener. En este sentido, el concepto estándar de Hermle supone una ventaja respecto a las máquinas especiales.

Con el C 42 U MT dynamic, Hermle accede en 2010 a la exigente labor del torneado y fresado.

Una sola máquina, dos procedimientos

En la actualidad, Hermle ofrece tres máquinas de la línea High-Performance como versiones MT: el C 42 U, el C 52 U y el C 62 U. El fabricante de maquinaria permite con ellas un torneado simultáneo de piezas con un diámetro de hasta 1200 milímetros y una altura de 900 milímetros. Durante el torneado, no debe superarse un peso de 700 (C 42 U MT), 1000 (C 52 U MT) o 1500 kilogramos (C 62 U MT). Hablamos de masas enormes que se desplazan en movimientos rotatorios. Las máquina de Hermle ofrecen de antemano el montaje rígido esencial para el torneado. Por su parte, la precarga hidráulica del rodamiento del husillo representa un desarrollo claramente impulsado por las aplicaciones de la industria aeroespacial. «El husillo es el eslabón más débil de todo el sistema. Por esta razón, hemos desarrollado un refuerzo en función de las revoluciones», explica el jefe de Gestión de cuentas clave. El control de la máquina se adapta de forma automática a la carga del rodamiento: si el número de revoluciones es bajo, el sistema de husillo incrementa claramente su rigidez, es decir, justo en el momento en el que la máquina mecaniza materiales difícilmente mecanizables. Para ello, se aplica de forma adicional presión hidráulica a los paquetes de rodamientos cuando el número de revoluciones es bajo. Si, por el contrario, el número de revoluciones es alto, la presión hidráulica desciende, de modo que solo sea el paquete de resortes el que determine la precarga del rodamiento.

El C 52 U MT destaca como un multitalento flexible gracias a su amplio espacio de trabajo en una superficie mínima.

El C 62 U MT dynamic es el modelo estrella de la gama High-Performance de Hermle y mecaniza de forma eficiente y altamente dinámica componentes pesados de hasta 2500 kilos.

Sensores para la seguridad operativa

Fresado preciso a partir de una única pieza: un rodete de titanio en un C 42 U MT dynamic de Hermle.

En las operaciones de mecanizado de componentes de motores, la supervisión del proceso resulta igualmente esencial. Un daño posterior en el motor puede ser devastador. Aún más importante es llevar a cabo una documentación exhaustiva de cada una de las fases de fabricación. «Un ejemplo de ello es el control del medio refrigerante, que verifica la disponibilidad constante del mismo durante el proceso de fresado. Si el flujo del medio refrigerante se interrumpe, es posible que se produzca un aumento local de la acción térmica y, por lo tanto, una modificación en la estructura del material. Esto puede suponer un riesgo de fallo por aumento de presión en el posterior funcionamiento», expone Martin Wener. Para ello, se han instalado sensores en las máquinas de mecanizado que detectan la presión y el caudal en el interior del circuito de refrigeración. A continuación, los datos generados durante la supervisión del proceso se conservan junto con el componente.

Entre los componentes figuran, entre otros, los blisks. La palabra proviene del término «Blade Integrated Disk» y designa unos componentes del motor que reducen de forma considerable la carga de montaje y, con ello, los costes de montaje y el peso. En lugar de montar aspas individuales (blades) en un disco, se fresan perfiles a partir de una única pieza. El tiempo de mecanizado asciende a 20 horas. En este sentido, disponer de la estrategia correcta de mecanizado constituye un verdadero reto, ya que las aspas no deben oscilar durante el proceso de mecanizado. A esto se suma el desgaste de las herramientas: «Aquí, los usuarios se benefician de nuestra automatización de herramientas», explica el jefe de Gestión de cuentas clave. El desgaste que se produce durante el mecanizado de materiales difícilmente mecanizables es muy elevado. «El cambio de herramienta sin necesidad de intervención del operador suele traducirse en una mejora notable de la eficiencia», subraya Martin Wener. Dado los largos periodos de mecanizado, se requiere un solo cambiador de palets para la carga automática de los centros de mecanizado.

Al final, los fabricantes de motores obtienen un blisk por valor de 100 000 euros y que, exceptuando el acabado para compactar la superficie, se encuentra listo para el montaje. Pero no solo nos convence el resultado de mecanizado. «Solemos recibir comentarios sobre la satisfacción de nuestros clientes respecto a nuestra atención», comenta Martin Wener. Esto comienza por atender con interés los deseos del cliente y abarca desde el departamento de tecnología de Hermle, que asesora de forma rápida, elabora soluciones conjuntamente con el usuario y realiza pruebas de fresado a corto plazo, hasta el departamento de servicio, que suele considerarse una referencia en la fabricación de máquinas herramienta.

Vista del C 42 U MT dynamic: al mecanizar el contorno interior de una carcasa de motor se aplica el torneado trocoidal.

Materiales de difícil mecanizado, diámetros amplios y tolerancias mínimas: Hermle fabrica una carcasa de turbina de titanio en el C 62 U MT dynamic.

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