O mercado de componentes aeroespaciais e componentes de aeronaves de precisão

Os tempos mudaram. Um jato típico em construção hoje consiste em apenas 20% de alumínio puro. A maioria dos materiais de construção não críticos - painéis e interiores estéticos - agora consistem em polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) ainda mais leves e materiais em favo de mel. Enquanto isso, para peças de motor e componentes críticos de componentes de aeronaves de precisão, há uma ênfase simultânea em menor peso e maior resistência à temperatura para melhor eficiência de combustível, trazendo metais novos ou anteriormente impraticáveis ​​para a máquina na mistura de materiais aeroespaciais.

Aeroespacial único entre as indústrias

A fabricação aeroespacial é única entre outros setores de produção em massa, especialmente na produção de motores aeronáuticos. O motor é o componente mais complexo de um avião, contém os componentes mais individuais e, em última análise, determina o consumo de combustível. O advento de motores de mistura enxuta com potenciais de temperatura de até 3.800 ° F (2.100 ° C) ajudou a aumentar a demanda por esses novos materiais. Dado que as superligas atuais têm um ponto de fusão em torno de 1.850 ° C (3.360 ° F), encontrar materiais que possam suportar temperaturas mais altas se torna um desafio.

Para atender a esses requisitos de temperatura, as superligas resistentes ao calor (HRSA) estão sendo introduzidas na equação de materiais, incluindo ligas de titânio, ligas de níquel e alguns materiais compostos não metálicos, como cerâmica. Esses materiais parecem ser mais difíceis de usinar do que o alumínio tradicional, o que historicamente significa menor vida útil da ferramenta e menor segurança do processo.

Há também um alto risco de processo na usinagem de peças aeroespaciais. Como as margens de erro são inexistentes a 35.000 pés de altitude de cruzeiro, as tolerâncias no setor aeroespacial são mais precisas do que quase qualquer outra indústria. Esse nível de precisão leva tempo. Tempos de usinagem mais longos são necessários para cada componente, e mais tempo por peça torna o refugo relativamente caro, considerando o investimento de tempo. Além disso, em comparação com outros setores, os pedidos de componentes aeroespaciais geralmente consistem em pequenas quantidades e longos prazos de entrega, dificultando a programação de produtividade, rendimento e lucratividade.

Ao contrário de qualquer outra indústria, exceto petróleo e gás, que também possui requisitos de alta temperatura, pressão e corrosão, os próprios materiais aeroespaciais afetam o design dos componentes. Design for manufacturability (DFM) é a arte da engenharia de projetar componentes com uma abordagem equilibrada, levando em consideração tanto a função do componente quanto seus requisitos de fabricação. Essa abordagem está sendo aplicada cada vez mais no projeto de componentes aeroespaciais e mais no projeto de componentes aeroespaciais e componentes de aeronaves de precisão, pois seus componentes precisam suportar certas cargas e resistência à temperatura, e alguns materiais só podem suportar isso. Os designs de materiais e componentes realmente impulsionam um ao outro, não um após o outro. Essa relação entre material e design é especialmente importante ao estudar materiais de última geração. Por todas essas razões, os fabricantes de aviação são diferentes uns dos outros. Não admira que a sua gama de materiais seja única.

Um novo cenário material

O alumínio de aviação padrão - 6061, 7050 e 7075 - e os metais de aviação tradicionais - níquel 718, titânio 6Al4V e aço inoxidável 15-5PH - ainda são usados ​​na aviação. No entanto, esses metais estão agora dando território a novas ligas projetadas para melhorar o custo e a eficiência. Para ser claro, esses novos metais nem sempre são novos, alguns já existem há décadas. Em vez disso, eles são novos para aplicações práticas de fabricação, pois máquinas-ferramentas, tecnologia de ferramentas e revestimentos de wafer são avançados o suficiente para lidar com ligas difíceis de usinar .

Embora a quantidade de alumínio nas aeronaves esteja diminuindo, seu uso não está desaparecendo completamente. De fato, o alumínio volta, especialmente nos casos em que a transição para CFRP se mostrou proibitiva ou ineficaz. Mas o alumínio que aparece de novo não é o alumínio do seu pai. Por exemplo, as argilas de titânio (TiAl) e o alumínio-lítio (Al-Li), que existem desde a década de 1970, só vêm ganhando espaço na aviação desde a virada do século.

Como a liga de níquel em suas propriedades resistentes ao calor, o TiAl mantém a força e a resistência à corrosão em temperaturas de até 600 ° C (1.112 ° F). Mas o TiAl é mais fácil de usinar, apresentando propriedades de usinabilidade semelhantes ao titânio alfa-beta, como o Ti6Al4V. Mais importante, o TiAl pode melhorar a relação empuxo-peso em motores aeronáuticos porque tem metade do tamanho das ligas de níquel. Por exemplo, tanto as lâminas de turbina de baixa pressão quanto as lâminas de compressor de alta pressão, tradicionalmente feitas de superligas densas à base de níquel, agora são usinadas a partir de ligas à base de TiAl. A General Electric foi pioneira nesse desenvolvimento e usa pás de turbina de baixa pressão TiAl em seu motor GEnx, o primeiro uso em larga escala do material em um motor a jato comercial - neste caso, o Boeing 787 Dreamliner.

Outra reintrodução do alumínio na indústria aeroespacial pode ser encontrada no leve Al-Li, especialmente projetado para melhorar as propriedades do alumínio 7050 e 7075. No geral, a adição de lítio fortalece o alumínio com menor densidade e peso, dois catalisadores para a evolução do material de aviação. A alta resistência das ligas Al-Li, baixa densidade, alta rigidez, tolerância a danos, resistência à corrosão e natureza amigável à soldagem tornam a escolha melhor do que o alumínio tradicional em fuselagens de jatos comerciais. Atualmente, a Airbus usa o AA2050. Enquanto isso, a Alcoa usa o AA2090 T83 e o 2099 T8E67. A liga também é encontrada nos tanques de combustível e oxidante dos foguetes espaciais SpaceX Falcon 9 e é amplamente usada nos projetos de foguetes e ônibus espaciais da NASA.

O titânio 5553 (Ti-5553) é outro metal relativamente novo na aviação, apresentando alta resistência, peso leve e boa resistência à corrosão. Os principais componentes estruturais, que devem ser mais fortes e mais leves que as ligas de aço inoxidável utilizadas anteriormente, são os pontos de aplicação ideais para esta liga de titânio. Conhecido como triplo 5-3, era um material extremamente difícil de usinar - até recentemente. Extensas pesquisas e desenvolvimentos foram realizados para tornar o metal prático para usinagem, e o triplo 5-3 recentemente provou ser muito previsível devido à consistência de usinagem semelhante às ligas de titânio mais tradicionais, como o mencionado Ti6Al4V. As diferenças nos dois materiais exigem que sejam usados ​​dados de corte diferentes para alcançar uma vida útil da ferramenta semelhante. Mas quando o operador tem os parâmetros apropriados definidos, um número triplo de 5-3 máquinas pode ser previsto. A chave com o Triples 5-3 é a operação um pouco mais lenta e a otimização do caminho da ferramenta e do sistema de resfriamento para alcançar um bom equilíbrio entre vida útil e segurança da ferramenta.

Certos componentes estruturais, como fixadores, chassis e cilindros, exigem força bruta e a leveza é menos prioritária. Nesses casos, o aço-liga Ferrium S53 oferece propriedades mecânicas iguais ou melhores que os aços convencionais de ultra-alta resistência, como 300M e SAE 4340, com o benefício adicional de resistência geral à corrosão. Isso pode eliminar a necessidade de revestimento de cádmio e o subsequente processamento relacionado.

Os compósitos atingem seu ritmo

Os materiais compostos também estão compondo uma fatia crescente do bolo de materiais aeroespaciais. Reduzem o peso e o consumo de combustível, ao mesmo tempo que são fáceis de manusear, projetar, moldar e reparar. Antes considerado apenas para membros estruturais leves ou componentes de cabine, a gama de compósitos aeroespaciais agora se estende a componentes verdadeiramente funcionais - revestimentos de asas e fuselagem, motores e trem de pouso.

Também importante, os elementos compostos podem ser formados em formas complexas que exigiriam usinagem e colagem no caso de peças metálicas. Os componentes compostos pré-formados não são apenas leves e fortes, mas também reduzem o número de fixadores e juntas pesadas - que são pontos potenciais de falha - em um avião. Dessa forma, os materiais compostos ajudam a impulsionar a tendência global de reduzir o número de componentes em montagens inteiras, utilizando designs de peça única sempre que possível.

Mais informações sobre componentes de precisão e componentes aeroespaciais

::Usinagem de Peças para a Indústria Aeroespacial

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