Compuestos en 3D ahorrarán combustible a los aviones

Redacción
Jueves, 05 Septiembre 2013

Una nueva generación de motores desarrollados por el mayor fabricante de motores a reacción del mundo, CFM (una colaboración entre GE y la compañía francesa Snecma), permitirá a las aeronaves utilizar un 15 por ciento menos de combustible, cantidad suficiente para ahorrar alrededor de 1 millón de dólares (0,77 millones de euros) al año por avión, y reducir significativamente las emisiones de carbono.

El primero de estos nuevos motores, llamado LEAP, contará con una tecnología que nunca antes se ha utilizado en un motor a reacción de producción a gran escala: materiales compuestos cerámicos con un peso mucho menor al de las aleaciones de metales que van a reemplazar, y capaz de soportar temperaturas muy elevadas. El motor también utilizará piezas producidas a través de la impresión en 3D, un nuevo tipo de fabricación con el que se pueden producir formas complejas que serían difíciles o imposibles de realizar con las técnicas convencionales de fabricación. Estas tecnologías podrían en última instancia ser utilizadas para fabricar más piezas del motor, abriendo paso a nuevos avances en cuanto a eficiencia, señala Gareth Richards, director del programa LEAP para GE Aviation.
 
La empresa ya tiene pedidos para fabricar 4.500 máquinas. Serán utilizadas en el Airbus A320, el Boeing 737 Max, y un nuevo avión de China, el Comac C919. Además de ahorrar dinero, el motor va a ayudar a los fabricantes a cumplir con actuales y futuras regulaciones destinadas a reducir las emisiones de dióxido de carbono y contaminantes, como por ejemplo los óxidos de nitrógeno (NOx) responsables de la niebla tóxica.
 
Una de las innovaciones clave es el uso de materiales compuestos de matriz cerámica desarrollados por GE. La cerámica puede soportar altas temperaturas, pero normalmente es demasiado frágil para su uso en motores. Los investigadores de GE han desarrollado una forma de reforzarla con fibras de carburo de silicio, lo que las hace tan resistentes como el metal.
 
La cerámica reducirá la cantidad de energía utilizada para enfriar las piezas del motor. Los motores actuales funcionan a temperaturas que en realidad son más altas que el punto de fundido de las aleaciones de níquel metal utilizadas en su interior; para evitar la fundición, el motor desvía aire de un compresor en el interior del motor a través de pequeños orificios en las piezas, creando una capa protectora de refrigeración. El compuesto de cerámica no requiere este enfriamiento, por lo que en su lugar el aire se puede utilizar para generar empuje.
 
 
 
En el motor LEAP, los materiales compuestos de matriz cerámica reemplazarán solo algunas de las piezas de aleación de níquel. Pero en el futuro podrían ser utilizados en más piezas del motor, lo que reduciría aún más las pérdidas producidas por la refrigeración. Este cambio también podría permitir que los motores funcionasen a temperaturas más altas, por lo que sería posible obtener más empuje a partir de una cantidad dada de combustible. Por otra parte, los compuestos podrían usarse para crear motores más ligeros. Las piezas hechas de estas materias pesan un tercio de lo que pesan las de aleación de níquel.
 
El motor también contará con piezas impresas en 3D capaces de mejorar la eficiencia del motor y bajar las emisiones. El sistema es más sofisticado y potente que el tipo de impresoras 3D de escritorio sobre el que ha recaído la atención recientemente. En lugar de depositar materiales, utiliza un láser para convertir polvo de metal en formas sólidas, capa a capa. El método simplifica la fabricación del tipo de boquillas de combustible (producidas con una forma precisa) que sirven para ayudar a que el motor funcione a altas temperaturas sin producir óxidos de nitrógeno.
 
LEAP tiene muchas características futuristas, incluida una tobera (la parte encargada de quemar combustible) impresa en 3D.
 
“Esta tecnología en realidad nos permite crear diseños que no serían físicamente posibles de hacer con el mecanizado convencional estándar”, dijo Gareth Richards, director del programa de LEAP.
 
Aunque GE ha utilizado la impresión 3D durante años para crear prototipos de plástico, solo hasta hace poco la tecnología maduró hasta el punto de poder usarse para crear objetos con materiales más fuertes.
 
“Podemos hacer esto en casi todo tipo de metal que elijas. Podemos hacerlo en aluminio, níquel o acero. Esto no es impresión 3D como la que podrías haber visto en alguna exhibición de tecnología donde las personas crean piezas de plástico que sacan de sus sótanos. Esto no es hacer prototipos, donde tienes que descifrar cómo hacerlos de verdad. Esto es crear piezas de producción que funcionen completamente, las cuales provienen de materiales aeroespaciales reales”, dijo Richards. 
 
LEAP incorpora otra innovación; las aspas del ventilador del motor están hechas de un material llamado Compuesto de Matriz Cerámica. Esencialmente, es cerámica tan resistente como el acero, aunque a diferencia del metal, puede resistir temperaturas extremas.
 
Más importante aún, es más ligero que cualquier aleación previamente utilizada. El fabricante dice que el material utilizado en las aspas del ventilador y otros componentes hace a un avión 453.5 kilogramos más ligero de lo normal.
 
“LEAP reduce el consumo de combustible en 15% en comparación con su motor predecesor. Eso añade varios millones de dólares ahorrados al año por avión”, dijo Rick Kennedy, el vocero de GE Aviation.
 
CFM planea que los motores comiencen a operar en 2016, lo que significa que necesita producir 1,500 motores al año. Pero la tecnología permite que la meta  sea accesible al reducir el tiempo de fabricación.
 
“Para nuestras partes más complejas, es común que el tiempo que toma sea medido no solo en semanas, sino meses e incluso más de un año”, dijo Richards. “Ahora, hablamos de pasar un archivo en la computadora a una pieza terminada en horas o días”.
 
Airbus también comenzó a jugar con la fabricación aditiva. Peter Sander, de Innovation Cell de Airbus, imagina que para 2050 la empresa venderá aviones comerciales hechos casi en su totalidad de partes impresas en 3D.
 
Por ahora, Airbus está contento con crear soportes impresos, que se convertirán en una parte estándar de la producción para 2016. Sander reconoce que cada componente hecho en impresión 3D, es 25% más ligero que su equivalente hecho con fabricación tradicional.
 
“La reducción de peso es lo que nos impulsa, porque menos peso significa menos combustible”, dice Sander. 
 
Otro fabricante de motores, Pratt & Whitney, está desarrollando su propio motor avanzado capaz de reducir el consumo de combustible en un 15 por ciento. Los compradores del Airbus A320neo pueden elegir entre el motor de Pratt & Whitney o el de CFM. Sin embargo Pratt & Whitney sigue un enfoque muy diferente a la hora de mejorar la eficiencia. En lugar de utilizar compuestos, usa engranajes que ayudan a que las diferentes piezas del motor se muevan a velocidades óptimas.