Motori stampati in 3D, davvero!

Tutto quello che c’è da sapere sul più promettente motore turboelica di nuova generazione, realizzato in gran parte tramite additive manufacturing, concepito in Europa e già a cacci di primati.

luglio 2017

Il nuovo motore ATP (Advanced Turboprop, da marzo 2018 ufficialmente presentato con il nome GE Catalyst) di General Electric, nella fascia di potenza da 1300 CV, è al suo debutto assoluto nella famiglia GE di motori turboelica destinati al segmento di mercato chiamato Business & General Aviation. L’Advanced Turboprop equipaggerà la nuova linea di aerei Cessna Denali, prodotti dalla statunitense Textron, e GE Aviation ha scelto proprio l’Europa come luogo di nascita di questo straordinario motore. L’ATP è infatti un progetto totalmente Europeo: il team di Design e Sviluppo Prodotto risiede tra Italia, Polonia, Repubblica Ceca e Germania. Le attività di sviluppo sono coordinate dalla “operations room” di Rivalta, mentre assemblaggio e test vengono eseguiti a Praga. Ed è stato deciso proprio di recente che la produzione dei componenti realizzati tramite additive manufacturing per questo motore avvenga nello stabilimento di Brindisi, dove le prime macchine dedicate saranno installate dal 2018 e le attività produttive partiranno tra la fine del 2018 e l’inizio del 2019. 

L’ATP è caratterizzato dalla più alta OPR (overall pressure ratio) del suo segmento, arriva a 16:1. E permette al motore di ridurre i consumi di carburante del 15%, nonché di esprimere una potenza in volo del 10% più alta rispetto a quella dei motori concorrenti della stessa fascia e dimensione, con performance e intervalli di tempo tra una revisione e l'altra ancora migliori (time between overhaul, TBO). Alcuni dei vantaggi del motore ATP provengono dall’uso dell’additive manufacturing che semplifica il design del motore stesso, concedendo un numero minore di parti e soluzioni progettuali impossibili tramite le tecnologie convenzionali. Il risultato è un motore più leggero, più compatto.

GE Aviation è un vero e proprio pioniere della tecnologia additive e con quest'ultima ha lavorato negli ultimi 10 anni sviluppando diversi componenti per motori di nuova generazione quali GE9X e LEAP, adottando processi industriali come Electron Beam Melting e Direct Metal Laser Melting. L’ATP in realtà si è spinto persino oltre: è il primo motore turboelica a contenere parti stampate in 3D, ovvero ben 13 dei suoi componenti, che vanno dalla camera di combustione a diversi elementi strutturali, e che permettono di ridurre il numero totale delle singole componenti motore del 30%. In generale i benefici della tecnologia additive sono incredibili: consente di evitare un numero enorme di processi e ispezioni, rischi di perdite e falle nelle giunture sono azzerati e i costi di produzione ridotti. “Non si tratta semplicemente di sostituire un metodo di produzione con un altro, ma di reinventare la maniera di concepire e progettare i motori aerei” dice Giorgio Abrate, Engineering Leader di Avio Aero.

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Non dimentichiamo inoltre che anche il Governo Italiano considera l’additive manufacturing come uno dei più importanti attivatori tecnologici per indirizzare finalità e obiettivi comprese all’interno del Protocollo Nazionale Industria 4.0 lanciato alla fine del 2016. Lo stesso Ministro dello Sviluppo Economico ha intrapreso iniziative volte a supportare Avio Aero, e in particolare lo stabilimento di Brindisi, come parte di un contributo più vasto e significativo alla trasformazione digitale in atto per l’industria italiana.

Le principali responsabilità di Avio Aero per l’ATP sono i Sistemi Motore, Controlli e Software, il Sistema di Combustione ed entrambe le scatole di potenza e comando accessori. La trasmissione di potenza dell’ATP è la prima in assoluto di Avio Aero a essere realizzata con un main housing (il contenitore esterno) completamente prodotto in additive. L’additive ha permesso dunque ai progettisti di esplorare possibilità di design mai provate prima. “Con questo intendiamo anche nuove leghe metalliche, proprio perché non dobbiamo più occuparci del compromesso (ad esempio quello peso vs costo) come facevamo in passato e le nuove soluzioni ci permettono di ottenere vantaggi in tutti e due gli ambiti allo stesso tempo” afferma  Luca Bedon,  Advanced Technology Engineering Leader di Avio Aero.

Il combustore dell’ATP è stato progettato dagli ingegneri di Avio Aero in base alla configurazione “reverse flow”, in modo da minimizzarne la lunghezza e migliorare il peso totale del motore nonché l’installazione. Anche in questo caso, la tecnologia additive ha rappresentato una svolta. Oltre alla flessibilità concessa nel design termico e meccanico, l’additive ha permesso di realizzare prototipi e testarli in quantità nettamente superiore ai processi convenzionali, specie considerando i tempi stretti della pianificazione. In questo modo i nostri ingegneri sono stati in grado di validare il design in via sperimentale, apprendendo veramente da ogni singola iterazione.

Il design meccanico della turbina di alta pressione a due stadi e della turbina di potenza composta da tre, così come del compressore di alta pressione, è stato preso in carico dall’Engineering Design Center (EDC) di Varsavia. Quest’ultimo viene supportato dal team di ricerca di Aviation a Monaco di Baviera, che ha progettato il compressore di alta pressione, e da Avio Aero che è responsabile del design aereo di ambedue le turbine (alta pressione e potenza). Il team in Repubblica Ceca invece è responsabile dell’assemblaggio finale, strumentazione, test e certificazione del motore intero.

L’organizzazione Sviluppo Prodotto e Design attiva a Rivalta sta coordinando il design dei diversi moduli in sviluppo nelle vari sedi Europee. Avio Aero quindi segue completamente le performance del motore e la sua integrazione con il FADEPC (Full Authority Digital Engine and Propeller Control), oltre ai sistemi controllo sempre sviluppati nella sede torinese. Il team sta ora lavorando ai banchi prova per la campagna di test anche con la sede di Pomigliano, in modo da confermare che il motore opererà come previsto e sarà pronto per la prima prova completa (First Engine To Test FETT).

Il Digital Engine Controller, ovvero il cervello del motore, gestisce non solo le turbomacchine, ma anche il passo delle eliche. Questa è la prima volta per un motore del segmento Business & General Aviation, e tale capacità permette al pilota di controllare la propulsione tramite un solo comando. “Volevamo che i piloti provassero una sensazione simile a quella che si prova nel pilotare un jet: in pratica, questo semplifica le operazioni per i piloti” commenta Gordon Follin, Engineering leader del programma ATP.

L’ATP quindi può fregiarsi di un ulteriore titolo: è infatti il primo motore aereo “nativo digitale” poiché sviluppato attraverso le tecniche Model Based Definition. L’ingegneria non emette disegni in 2D, ma modelli avanzati in 3D che sono elaborati infine grazie a Computer Added Manufacturing e ispezioni. Inoltre, il FADEPC sarà in grado di procurare durante il servizio del motore dati per la prognostica e la gestione del motore stesso, permettendo migliori analisi e utilizzo delle flotte.

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In aggiunta, e conclusione, è importante sapere che Avio Aero si occuperà, tecnicamente e commercialmente, di valutare tutte le opportunità militari non-US per l’ATP. Permettendo così di separare gli ambiti civile e militare, e di garantire che la versione civile dell’ATP non venga interessata da alcun requisito militare. Per questo motivo, Avio Aero ha attirato interesse e sta valutando diverse campagne militari per UAV (Unmanned Air Vehicles) ad esempio, così come per velivoli leggeri militari, in Italia, Europa, Turchia e India. Ancora altre opportunità saranno esplorate in futuro.

Davvero un cammino di sviluppo importante per Avio Aero: dai moduli e componenti, al motore intero.

AUTHOR

Anna Zovetti