La eficiencia energética está en la orden del día en todos los sectores de la industria. Dos enfoques que parecen muy prometedores son los convertidores de energía y la reducción de peso. Estamos viendo que en los laboratorios de ingeniería están apareciendo unos nuevos materiales que justamente cumplen con estos requisitos. El reto: a menudo estos materiales son tan duros que es casi imposible mecanizarlos con las herramientas y conceptos convencionales. Es necesario cambiar las herramientas muy a menudo además de tener un sistema complejo de refrigeración con emulsión, que hace disparar los costes.
Los expertos en mecanizado del fabricante de herramientas de precisión Walter, con sede en Tübingen, Alemania, identificaron esta tendencia hace unos años y se pusieron a trabajar en la búsqueda de soluciones. Ahora el “Mecanizado criogénico usando dióxido de carbono como refrigerante es una opción comercialmente viable”, indica Thomas Schaarschmidt, director de negocio y desarrollo de aplicaciones en Walter AG. En colaboración con unos cuantos fabricantes de maquinaria del “Institut für Produktionstechnik [Institute for Production Engineering] (IfP) de la West Saxon University de ciencias aplicadas de Zwickau (WHZ)”, Walter ha podido demostrar que esta tecnología es adecuada para el mecanizado de álabes de turbina, piezas estructurales de titanio para la industria aeroespacial y turbo compresores para la industria de automoción.
El mecanizado criogénico ideal para el mecanizado de aleaciones de titanio aluminio
Las aleaciones de titanio aluminio también conocidas como aleaciones de titanio gamma es un material de futuro al utilizarse en los alabes de turbina de gas en la industria aeroespacial. Esto hace que también se desarrollen otros componentes de titanio y aluminio desarrollados por “Max Planck Institute for Iron Research en Düsseldorf y el Helmholtz-Zentrum Geesthacht “. Este material está despertando curiosidad entre los ingenieros aeronáuticos. Aunque su peso es menos de la mitad de los de las aleaciones de base níquel utilizadas hasta ahora (con una densidad entre 3.8 g/cm3 y 8,5 g/cm3), las aleaciones de titanio aluminio son capaz de soportar las altas temperaturas de los sistemas de propulsión además de ser resistentes a la deformación plástica.
Los álabes de turbina de los sistemas de propulsión es donde realmente es importante la ligereza ya que la relación entre la fuerza centrífuga y el peso es cuadrática, es decir que si se reduce el peso a la mitad, la fuerza centrífuga será una cuarta parte de su valor inicial. Esto explica por qué este material es el más adecuado para las turbinas de baja presión que son las que tienen los diámetros más grandes. Así, los discos a los que están unidos las palas pueden ser más ligeros. Los sistemas de propulsión son más esbeltos y los aviones más ligeros, necesitan menos combustible y vuelan de forma más eficiente. Además al ahorrar el consumo de combustible también se reducen las emisiones de CO2.
El único inconveniente es el hecho de que estos materiales son extraordinariamente difíciles de mecanizar, “el desgaste de la herramienta es extremadamente alto, las herramientas duran como mucho un minuto” comenta Lucas Günther (Dipl.-Ing. (FH)), del grupo de investigación Scientific Assistant in the Machining en IfP. Dirigido por el Professor Dr. sc. techn. Michael Schneeweiß, el equipo investiga en el mecanizado de los álabes de turbina desarrollando herramientas y materiales de corte. El mecanizado criogénico parece ser una perfecta solución para el mecanizado de las aleaciones de titanio aluminio. Según Thomas Schaarschmidt, “los materiales abrasivos y los materiales de difícil corte, como el titanio gamma, aluminios de alta resistencia y las aleaciones con base de níquel, son un factor clave en la industria aeroespacial donde el enfriamiento criogénico tienen una aplicación ideal”.
El tiempo es primordial en la fabricación en serie de turbinas utilizando este material. El Airbus 320neo es el primer avión en ser equipado con palas de turbina hechas con aleación de titanio aluminio. Los fabricantes actualmente se están teniendo que conformar con las tecnologías de refrigeración con emulsión a alta presión. Como dice Lucas Günther “la complejidad del equipo que se necesita, el coste de aprovisionamiento del refrigerante, los costes de mantenimiento y puesta a punto hacen que esta tecnología sea cara”. No sólo eso, sino que el uso de estas tecnologías es potencialmente peligrosa para la salud humana y dañinas para el medio ambiente. En contraposición, el dióxido de carbono que es relativamente fácil de llevar allí donde se necesita y resulta rentable”. Como dice Thomas Schaarschmidt, una vez que se corrió la voz sobre el mecanizado criogénico con CO2 la demanda en la industria aeroespacial aumentó considerablemente como era de esperar.
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