Motori Aeronautici: riduzione delle emissioni e dei consumi attraverso lo studio delle simulazioni di processo

Visto il notevole sforzo, economico e tecnologico, che sarebbe stato necessario per la realizzazione ex-novo di un propulsore su cui lavorare, si decise di utilizzare un turbojet già presente sul mercato. Verso la fine del 2006 viene recuperato e messo a disposizione dell’Università un turbogetto di tipo Marborè VI-C, realizzato negli anni ’70 dalla francese Turbomeca, smontato da un aereo bersaglio schiantatosi al suolo. A seguito dell’impatto, il propulsore è risultato essere fortemente danneggiato, soprattutto nel comparto anteriore, sede del compressore centrifugo. Il progetto prevede la completa modellazione del turbogetto, attraverso software CAD, e la ricostruzione degli organi danneggiati.

Alla fine del 2007 i componenti rotorici sono stati completati, mentre è rimasta esclusa da ogni tipo di analisi la bocca anteriore del motore, fusione monoblocco in lega di magnesio, studio che richiede particolari conoscenze del processo produttivo.
Si è quindi reso necessario realizzare un lavoro specifico per questa parte, che approfondisse tutti i dettagli tecnologici per la progettazione e la realizzazione per processo fusorio del componente.
Si è iniziata un’attenta modellazione CAD, con alcune lievi riprogettazioni dettate dalle diverse esigenze tra un componente progettato per il volo da uno statico da banco, soffermandosi poi sulla progettazione del sistema di colata. Dopo un primo abbozzo nell’ambiente CAD, si è passati a lavorare con il software MAGMASOFT, necessario per verificare e ottimizzare il processo di colata.
Durante questa fase si è mantenuto un approccio di tipo accademico: si è realizzata una serie di simulazioni applicando di volta in volta alcune modifiche dettate dall’attenta analisi dei risultati ottenuti, ponendosi come unico obiettivo la realizzazione di un singolo prototipo di buona qualità, senza porsi limiti nei tempi e nei modi di elaborazione.
Innanzitutto si sono implementate più versioni rappresentanti le varie configurazioni del sistema di colata inizialmente progettate in accordo con le parti partecipanti al progetto. Queste differivano nel sistema di raffreddamento e nella disposizione dei filtri di colata.

Nella prima versione era previsto un raffreddatore centrale di ghisa e tre maniche esotermiche, in corrispondenza delle zone massicce. I risultati di solidificazione hanno evidenziato subito che tale disposizione era ottima per il supporto del cuscinetto, in quanto il raffreddamento repentino garantisce caratteristiche meccaniche migliori, mentre per quanto riguarda la corona esterna erano presenti notevoli zone di liquido isolate durante la solidificazione e quindi conseguenti problemi di porosità.
La seconda versione prevedeva, invece, di utilizzare esclusivamente maniche esotermiche, disposte nella parte superiore del getto. Anche in questo caso i risultati hanno messo in luce fattori positivi e negativi della configurazione. Si è ottenuta infatti una maggiore omogeneità del fluido in fase di solidificazione, peggiorando però le caratteristiche meccaniche, specialmente nel supporto centrale.
Si è cercato quindi di unire le caratteristiche migliori delle due versioni, ottenendo un sistema ibrido che dalle simulazioni è risultato decisamente superiore rispetto alle precedenti disposizioni.
Esso prevede l’utilizzo del raffreddatore in ghisa centrale e otto maniche esotermiche sulla corona esterna.
Inoltre per garantire una maggiore omogeneità del flusso in fase di riempimento, si è scelto di aumentare a sei il numero di attacchi, in maniera tale da limitare i gradienti di temperatura presenti a fine colata nelle versioni con solo quattro ingressi.

I risultati di riempimento e di solidificazione hanno sottolineato infatti che i difetti di microporosità sono diminuiti rispetto alle versioni precedenti, raggiungendo la soglia di qualità ricercata. I difetti ottenuti possono essere ritenuti trascurabili per la cautelatività del software e la particolare affinazione del processo produttivo.
Si è quindi realizzata la forma attraverso tecniche di prototipazione rapida, utilizzando tecnologie SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva). Compiuta la fusione in lega leggera, con una particolare attenzione alla fase di preparazione del metallo da colare, si sono fatte alcune analisi radiografiche per verificare l’integrità del componente e confrontare quindi i dati delle simulazioni effettuate con i dati reali.

Diversamente da come avviene solitamente in contesto lavorativo, dove normalmente non si seguono tutte le fasi progettuali e realizzative, in questo studio è stato possibile analizzare accuratamente ogni dettaglio e vedere un disegno CAD trasformarsi in un componente reale.
Inoltre questo percorso ha evidenziato le potenzialità di questo processo che permette di ottimizzare tutti i passaggi attraverso software specifici, riducendo al minimo i margini di errore.