Tecniche avanzate di process monitoring applicate alla lavorazione di componenti critici aeromotoristici

Tecniche avanzate di Process Monitoring applicate alla lavorazione di componenti critici aeromotoristici 
 
Capitolo 1    Introduzione 
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Capitolo 1     Introduzione 
 
Nell‟odierna pratica industriale aeromotoristica, nonostante le continue e pressanti 
esigenze di miglioramento della produttività e di contenimento dei costi, si deve 
adottare un approccio estremamente cauto nell‟introdurre variazioni ai processi 
produttivi inizialmente validati attraverso campagne sperimentali (prove al livello di 
componente o motore) e test di laboratorio. 
Il mantenimento nel tempo dei livelli d‟integrità dei materiali lavorati, nonché della 
robustezza e della qualificazione dei processi produttivi, sono aspetti fondamentali, 
quando non addirittura vitali. 
Non è ancora tecnologicamente possibile progettare un moderno propulsore 
aeronautico garantendo una totale protezione contro l‟improvviso cedimento dei 
particolari strutturalmente più critici. La rottura dei componenti dovrebbe essere 
compensata distribuendo le improvvise ed anomale sollecitazioni su percorsi di 
carico alternativi, garantendo allo stesso momento il contenimento di frammenti e 
spezzoni rilasciati; il conseguente aumento di peso (dovuto a blindature ed elementi 
strutturali ridondanti) renderebbe il motore economicamente improponibile. 
Per questi motivi, alcuni particolari sono identificati come „critici‟ („flight safety part‟ o 
„life controlled part‟) per richiamare l‟attenzione del personale coinvolto nella 
sequenza produttiva evidenziando la necessità di eseguire controlli speciali. 
In questa categoria rientrano essenzialmente i componenti rotanti ad alte velocità e 
sottoposti ad elevate temperature (dischi, alberi e tenute rotanti di compressore e 
turbina) e gli involucri pressurizzati. 
Alcuni dati tecnici, sia pure citati a livello di curiosità, possono rendere bene l‟idea di 
quanto siano gravose le condizioni di funzionamento di questi particolari. 
I dischi e gli alberi turbina sono prodotti mediante una sequenza di numerose 
lavorazioni per asportazione di truciolo da semilavorati ottenuti per forgiatura di 
billette fuse o sinterizzate, costituite da materiali esotici di difficile lavorabilità quali 
superleghe e base nichel-ferro e nichel-cobalto. 
Il ricorso alle superleghe è indispensabile poiché le temperature operative a regime 
di disco turbina possono superare i 700 °C, la miscela di aria e gas combusti in 
uscita dal combustore raggiunge temperature tali da poter fondere un acciaio, mentre 
l‟aria di „raffreddamento‟ può superare i 600 °C. 
Una tipica paletta di turbina ad alta pressione esercita un carico di 10000 Kg 
(all‟incirca pari a 5 automobili di tipo SUV) a 13000 giri/min: se si considera che un 
disco turbina deve sopportare il carico centrifugo prodotto da 70-80 palette, questo 
equivale alla „mostruosa‟ forza complessiva di circa 700 tonnellate.
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1.1     Il caso reale: l’incidente di Pensacola 
 
I criteri di sicurezza adottati nella produzione dei particolari critici impongono che gli 
eventi anomali di processo siano investigati per determinare l‟eventuale alterazione 
dell‟integrità della superficie lavorata dagli utensili. 
I cedimenti catastrofici attribuibili ad anomalie nel processo produttivo sono 
pressoché sempre „cause speciali‟ che generano difetti superficiali spesso non 
rilevabili ad un controllo visivo o dimensionale, ma solo mediante il ricorso a raffinate 
tecniche di rilevazione (ad es. correnti indotte) o prove distruttive (ad es. sezioni 
metallografiche).  
Si iniziò ad acquisire consapevolezza dei potenziali rischi collegati a condizioni di 
lavorazioni aggressive in seguito ad un incidente fatale occorso a Pensacola il 6 
luglio del 1996. 
In quella occasione un disco in lega di titanio Ti-6Al-4V della ventola frontale di un 
motore a getto cedette catastroficamente mentre il velivolo stava rapidamente 
accelerando per il decollo. Il pilota riuscì ad arrestare la corsa del velivolo sulla pista, 
ma l‟esplosione liberò pesanti frammenti che impattarono contro la fusoliera in 
prossimità del motore ed uccisero due passeggeri. 
Il disco era stato prodotto nel 1989 e da allora aveva accumulato circa 13800 cicli, un 
tempo ben inferiore alla vita utile certificata per componenti di questo tipo 
(indicativamente dell‟ordine dei 30000 cicli). 
Le successive indagini di laboratorio (si vedano le immagini tratte dal Ntsb report nr. 
AAR98/01) evidenziarono che il cedimento era stato provocato da una cricca 
innescata da un‟anomalia nella microstruttura del materiale in corrispondenza della 
superficie di un foro di collegamento, verosimilmente prodotta durante una 
lavorazione alla macchina utensile. 
L‟anomalia consisteva in una zona termicamente alterata, rilevabile dalla presenza di 
uno strato rifuso („white layer‟) di circa 0,05 mm di spessore seguito da 0,02 mm circa 
di microstruttura a grani fortemente distorti, dove le proprietà di resistenza del 
materiale erano sensibilmente degradate. 
Le cause più probabili furono identificate in una sfortunata combinazione di trucioli 
intrappolati e mancanza di refrigerazione.
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Figura 1: dettagli incidente di Pensacola, motore esploso e fusoliera 
danneggiata (sinistra) frammento del disco ‘fan’ esploso (destra) 
 
 
Figura 2: incidente di Pensacola, sezione della parete foro dove si è innescato 
il cedimento (sinistra), analisi micrografica della parete foro termicamente 
alterata (destra)
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1.2     La definizione degli standard qualitativi di produzione 
 
La F.A.A (Federal Aviation Administration), l‟ente preposto ai controlli di 
aeronavigabilità e sicurezza del volo negli Stati Uniti, avviò immediatamente il 
progetto „Roman‟ (ROtor MANufacturing Project) con l‟obiettivo di definire delle linee 
guida comuni all‟interno dell‟industria aeromotoristica per minimizzare la probabilità 
di generazione di anomalie durante i processi produttivi. 
L‟iniziativa coinvolse le principali aziende produttrici di motori a getto, sia degli Stati 
Uniti sia in Europa, per un periodo di tre anni. 
A Conclusione dei lavori furono emesse alcune raccomandazioni e „best practice‟ 
industriali; in particolare fu stabilito che durante la lavorazione di fori profondi (ad alto 
rapporto lunghezza/diametro) su particolari critici si sarebbe dovuto ricorrere 
all‟ausilio di sistemi di monitoraggio. 
Bisogna ammettere che, sebbene sistemi per il monitoraggio di processo siano 
commercialmente disponibili ormai da molti anni, la loro applicazione in produzione 
ha incontrato vari livelli di successo. 
Nelle situazioni in cui sono realizzati grandi volumi produttivi con poca o nulla 
variazione nel „mix‟ dei particolari (ad es. nel caso di produzioni automobilistiche od 
alimentari), il monitoraggio di processo è visto come un metodo efficace per garantire 
la continuità produttiva sulle linee non presidiate da operatori. 
Nel caso della produzione aero-motoristica, invece, il „mix‟ dei particolari è costituito 
da componenti geometricamente assai complessi realizzati in materiali esotici di 
difficile lavorabilità, con un‟alta variabilità dimensionale e geometrica e bassa 
numerosità dei lotti (spesso singoli) a complicare ulteriormente il quadro; in questi 
casi i sistemi di monitoraggio sono visti spesso come un fastidio piuttosto che come 
un beneficio. 
Pertanto, i casi in cui è stato effettuato il „process monitoring‟ riguardano tecnologie e 
tipologie di operazioni, come vedremo, molto specifiche. 
Le industrie aeromotoristiche europee coinvolte nel progetto „Roman‟ avviarono 
successivamente il progetto „Manhirp‟ (MANufacturing of High Integrity Rotating 
Parts), per investigare praticamente la possibilità di impiegare con successi sistemi di 
monitoraggio di processo e metodi „NTD‟ (Non Destructive Tests – controlli non 
distruttivi) per la rilevazione di difetti introdotti da lavorazioni meccaniche. Inoltre si 
voleva comprovare e quantificare la riduzione della vita utile di un componente in 
presenza di anomalie di lavorazione, ricorrendo ad estese prove di resistenza a 
fatica su provini in cui tali anomalie erano state volutamente generate. 
Il progetto „Manhirp‟ ha prodotto risultati significativi, tra i quali la definizione 
condivisa delle anomalie e la loro categorizzazione, nonché l‟identificazione di alcune 
caratteristiche dei segnali generati dai sistemi di monitoraggio di processo. Non si è 
però riusciti a produrre evidenze definitive sulle correlazioni tra presenza di anomalie 
e riduzione nella vita utile dei componenti.
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E‟ sulla base di questa esperienza che le industrie aeromotoristiche europee già 
partner nel progetto „Manhirp‟ hanno deciso di proseguirne gli sviluppi con il progetto 
denominato „Accent‟ (Adaptive Control of Manufacturing Processes for a new 
Generation of Jet Engine Components), ammesso ad usufruire di fondi europei di 
finanziamento nell‟ambito del „FP7‟ (Framework Programme 7). Il progetto „Accent‟ si 
pone come obiettivi lo sviluppo e l‟implementazione di sistemi di monitoraggio 
adattativi in tempo reale dell‟integrità superficiale generata da lavorazioni 
meccaniche per asportazione di truciolo, in grado di prevenire danneggiamenti dei 
particolari o degli utensili e di facilitare l‟esecuzione di operazioni alla macchina 
utensile con presidio limitato.
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Capitolo 2    La Brocciatura 
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Capitolo 2     La Brocciatura 
 
2.1     Generalità 
 
La brocciatura è una lavorazione meccanica ad asportazione di truciolo.  
La broccia è un utensile che lavora mediante il movimento lineare di una 
successione di denti distanziati tra loro di una certa entità e di dimensione crescente. 
Tale lavorazione può essere suddivisa in due parti differenti: 
-) Brocciatura interna; 
-) Brocciatura esterna. 
L‟utensile prende il nome di broccia per interni quando opera all‟interno di fori e la 
sezione del pezzo è di tipo chiuso. 
Possiamo fare un‟ulteriore suddivisione a seconda del tipo di macchina utensile sul 
quale vengono impiegate, potremo quindi parlare di broccia a trazione e broccia a 
compressione. 
Le prime sono sottoposte a semplice azione di trazione è quindi possibile impiegare 
utensili di lunghezza notevole, anche se con sezione ridotta, senza incorrere nel 
pericolo di flessioni o sbandamenti che ne pregiudicherebbero la durata. 
Le seconde invece sono soggette a carico di punta, pertanto devo necessariamente 
essere più corte ed avere una sezione più robusta rispetto a quelle di trazione. 
Così come le brocce interne anche le brocce esterne possono essere impiegate su 
macchine utensili orizzontali o verticali ed essere sollecitate principalmente a sforzi di 
trazione o compressione. 
Questo tipo di operazione si effettua mediante l‟impiego di uno o più settori di broccia 
fissati ad un portabrocce posto in movimento dalla macchina utensile: la 
scomposizione in settori della broccia consente di sostituire il singolo elemento 
eventualmente danneggiato e facilita la costruzione dell‟utensile. 
Nello stesso porta brocce, infatti, possono trovare posto settori molto diversi tra di 
loro, destinati a svolgere le lavorazioni diverse nella stessa corsa di lavoro della 
brocciatrice.  
 
 
Figura 3: brocciatrice interna (sinistra) e Brocciatrice esterna (destra)