La fabricación de motores aeronáuticos, ya sean de pistón o jet, implica la conversión de materias primas en máquinas de precisión extremadamente fiables. Los entornos operativos altamente estresados asociados con el transporte aéreo requieren el uso de una amplia gama de materiales de alta resistencia. Se utilizan métodos de fabricación tanto convencionales como únicos.
Materiales de construcción
Los motores de los aviones se construyen principalmente con componentes metálicos, aunque en los últimos años se han introducido compuestos plásticos para ciertas piezas. Se utilizan diversas aleaciones de aluminio y titanio donde la resistencia y el peso ligero son de importancia primordial (componentes estructurales, secciones de compresores, bastidores de motores). Las aleaciones de cromo, níquel y cobalto se utilizan cuando se requiere resistencia a altas temperaturas y corrosión (secciones de combustión y turbina). Numerosas aleaciones de acero se utilizan en ubicaciones intermedias.
Dado que la minimización del peso en las aeronaves es un factor crítico para reducir los costos del ciclo de vida (maximizar la carga útil, minimizar el consumo de combustible), recientemente se introdujeron materiales compuestos avanzados como reemplazos livianos del aluminio, titanio y algunas aleaciones de acero en partes estructurales y conductos donde no se experimentan altas temperaturas. Estos compuestos consisten principalmente en poliimida, epoxi y otros sistemas de resina, reforzados con fibra de vidrio tejida o fibras de grafito.
Operaciones de manufactura
Prácticamente todas las operaciones comunes de mecanizado y metalurgia se utilizan en la fabricación de motores de aeronaves. Esto incluye la forja en caliente (perfiles aerodinámicos, discos de compresor), fundición (componentes estructurales, bastidores de motores), rectificado, brochado, torneado, taladrado, fresado, cizallado, aserrado, roscado, soldadura, soldadura fuerte y otros. Los procesos asociados implican el acabado de metales (anodizado, cromado, etc.), galvanoplastia, tratamiento térmico y pulverización térmica (plasma, llama). La alta resistencia y dureza de las aleaciones utilizadas, combinadas con sus formas complejas y tolerancias de precisión, requieren requisitos de mecanizado más desafiantes y rigurosos que otras industrias.
Algunos de los procesos metalúrgicos más exclusivos incluyen el fresado químico y electroquímico, el mecanizado por descarga eléctrica, la perforación con láser y la soldadura por haz de electrones. Molienda química y electroquímica Implican la remoción de metal de grandes superficies de una manera que retiene o crea un contorno. Las piezas, dependiendo de su aleación específica, se colocan en un baño de ácido, cáustico o electrolito controlado de alta concentración. El metal se elimina por la acción química o electroquímica. El fresado químico a menudo se usa después de forjar superficies aerodinámicas para ajustar el grosor de las paredes a las especificaciones mientras se mantiene el contorno.
Mecanizado por electroerosión y taladrado con láser se utilizan típicamente para hacer orificios de diámetro pequeño y contornos intrincados en metales duros. Se requieren muchos de estos orificios en los componentes de la turbina y la cámara de combustión para propósitos de enfriamiento. La remoción de metal se logra mediante la acción termomecánica de alta frecuencia de las descargas de chispas eléctricas. El proceso se lleva a cabo en un baño de aceite mineral dieléctrico. El electrodo sirve como la imagen inversa del corte deseado.
Soldadura por haz de electrones se utiliza para unir piezas donde se requiere una penetración profunda de la soldadura en geometrías de difícil acceso. La soldadura es generada por un haz de electrones enfocado y acelerado dentro de una cámara de vacío. La energía cinética de los electrones que golpean la pieza de trabajo se transforma en calor para soldar.
fabricación de plástico compuesto implica técnicas de colocación "húmedas" o el uso de paños preimpregnados. Con la disposición en húmedo, la mezcla de resina viscosa sin curar se extiende sobre una forma de herramienta o molde mediante rociado o cepillado. El material de refuerzo de fibra se coloca manualmente en la resina. Se aplica resina adicional para obtener uniformidad y contorno con la forma de la herramienta. El laminado completo se cura luego en un autoclave bajo calor y presión. Los materiales preimpregnados consisten en láminas semirrígidas, listas para usar y parcialmente curadas de compuestos de resina y fibra. El material se corta a medida, se moldea manualmente según los contornos de la forma de la herramienta y se cura en un autoclave. Las piezas curadas se mecanizan de manera convencional y se ensamblan en el motor.
Inspección y prueba
Para asegurar la confiabilidad de los motores de aeronaves, se realizan una serie de procedimientos de inspección, prueba y control de calidad durante la fabricación y en el producto final. Los métodos comunes de inspección no destructiva incluyen radiografías, ultrasonidos, partículas magnéticas y penetrantes fluorescentes. Se utilizan para detectar grietas o defectos internos dentro de las piezas. Los motores ensamblados generalmente se prueban en celdas de prueba instrumentadas antes de la entrega al cliente.
Peligros para la salud y la seguridad y sus métodos de control
Los peligros para la salud asociados con la fabricación de motores de aeronaves se relacionan principalmente con la toxicidad de los materiales utilizados y su potencial de exposición. El aluminio, el titanio y el hierro no se consideran significativamente tóxicos, mientras que el cromo, el níquel y el cobalto son más problemáticos. Ciertos compuestos y estados de valencia de los últimos tres metales han indicado propiedades cancerígenas en humanos y animales. Sus formas metálicas generalmente no se consideran tan tóxicas como sus formas iónicas, que normalmente se encuentran en baños de acabado de metales y pigmentos de pintura.
En el mecanizado convencional, la mayoría de las operaciones se realizan con refrigerantes o fluidos de corte que minimizan la generación de polvo y humos en el aire. Con la excepción de la molienda en seco, los metales por lo general no presentan riesgos de inhalación, aunque existe preocupación por la inhalación de neblinas de refrigerante. Se realiza una buena cantidad de rectificado, particularmente en piezas de motores a reacción, para mezclar contornos y llevar las superficies aerodinámicas a sus dimensiones finales. Por lo general, se utilizan pequeños molinillos de mano. Cuando dicha molienda se realice en aleaciones basadas en cromo, níquel o cobalto, se requiere ventilación local. Esto incluye mesas de tiro descendente y trituradoras con ventilación automática. La dermatitis y el ruido son peligros adicionales para la salud asociados con el mecanizado convencional. Los empleados tendrán diversos grados de contacto de la piel con refrigerantes y fluidos de corte durante la reparación, inspección y extracción de piezas. El contacto repetido con la piel puede manifestarse en varias formas de dermatitis en algunos empleados. Generalmente, los guantes protectores, las cremas protectoras y una higiene adecuada minimizarán estos casos. Los altos niveles de ruido suelen estar presentes cuando se mecanizan aleaciones de alta resistencia y paredes delgadas, debido a la vibración de la herramienta y la pieza. Esto se puede controlar hasta cierto punto a través de herramientas más rígidas, amortiguación de materiales, modificación de los parámetros de mecanizado y mantenimiento de herramientas afiladas. De lo contrario, se requiere PPE (p. ej., orejeras, tapones).
Los riesgos de seguridad asociados con las operaciones de mecanizado convencionales implican principalmente la posibilidad de lesiones físicas debido a los movimientos del punto de operación, la fijación y la transmisión de potencia. El control se logra a través de métodos tales como protecciones fijas, puertas de acceso con enclavamiento, cortinas de luz, tapetes sensibles a la presión y capacitación y concientización de los empleados. Siempre se debe usar protección para los ojos alrededor de las operaciones de mecanizado para protegerse de virutas, partículas y salpicaduras de refrigerantes y solventes de limpieza.
Las operaciones de acabado de metales, molienda química, molienda electroquímica y galvanoplastia implican exposiciones de tanques de superficie abierta a ácidos, bases y electrolitos concentrados. La mayoría de los baños contienen altas concentraciones de metales disueltos. Según las condiciones de operación y la composición del baño (concentración, temperatura, agitación, tamaño), la mayoría requerirá alguna forma de ventilación local para controlar los niveles de gases, vapores y nieblas en el aire. Para el control, se utilizan comúnmente varios diseños de capó laterales con ranuras. Los diseños de ventilación y las pautas operativas para diferentes tipos de baños están disponibles a través de organizaciones técnicas como la Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) y el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). La naturaleza corrosiva de estos baños exige el uso de protección para los ojos y la piel (gafas protectoras contra salpicaduras, protectores faciales, guantes, delantales, etc.) cuando se trabaja cerca de estos tanques. Lavaojos y duchas de emergencia también deben estar disponibles para uso inmediato.
La soldadura por haz de electrones y la perforación con láser presentan riesgos de radiación para los trabajadores. La soldadura por haz de electrones genera radiación secundaria de rayos X (bremsstrahlung efecto). En cierto sentido, la cámara de soldadura constituye un tubo de rayos X ineficiente. Es fundamental que la cámara se construya con un material o contenga un blindaje que atenúe la radiación a los niveles prácticos más bajos. A menudo se utiliza blindaje de plomo. Periódicamente se deben realizar estudios de radiación. Los láseres presentan riesgos oculares y cutáneos (térmicos). Además, existe la posibilidad de exposición a los vapores metálicos producidos por la evaporación del metal base. Los peligros de los rayos asociados con las operaciones con láser deben aislarse y contenerse, cuando sea posible, dentro de cámaras interconectadas. Se debe seguir rigurosamente un programa integral. Debe proporcionarse ventilación local donde se generan vapores metálicos.
Los principales peligros relacionados con la fabricación de piezas de plástico compuestas implican la exposición química a componentes de resina y disolventes sin reaccionar durante las operaciones de laminación en húmedo. De particular preocupación son las aminas aromáticas utilizadas como reactivos en resinas de poliimida y endurecedores en sistemas de resinas epoxi. Varios de estos compuestos son carcinógenos humanos confirmados o sospechosos. También exhiben otros efectos tóxicos. La naturaleza altamente reactiva de estos sistemas de resinas, particularmente los epoxis, da lugar a la sensibilización de la piel y las vías respiratorias. El control de los peligros durante las operaciones de almacenamiento en húmedo debe incluir la ventilación local y el uso extensivo de equipo de protección personal para evitar el contacto con la piel. Las operaciones de colocación que usan láminas preimpregnadas generalmente no presentan exposiciones en el aire, pero se debe usar protección para la piel. Al curar, estas partes son relativamente inertes. Ya no presentan los peligros de sus reactivos constituyentes. Sin embargo, el mecanizado convencional de las piezas puede producir polvos molestos de naturaleza irritante, asociados con los materiales de refuerzo compuestos (fibra de vidrio, grafito). A menudo se requiere ventilación local de la operación de mecanizado.
Los peligros para la salud asociados con las operaciones de prueba generalmente involucran la radiación (rayos x o gamma) de la inspección radiográfica y el ruido de las pruebas del producto final. Las operaciones radiográficas deben incluir un programa integral de seguridad radiológica, completo con capacitación, monitoreo de placas e inspecciones periódicas. Las cámaras de inspección radiográfica deben diseñarse con puertas con enclavamiento, luces de funcionamiento, cierres de emergencia y protección adecuada. Las áreas o celdas de prueba donde se prueban los productos ensamblados deben tratarse acústicamente, en particular para los motores a reacción. Los niveles de ruido en las consolas de control deben controlarse por debajo de 85 dBA. También deberían tomarse medidas para evitar la acumulación de gases de escape, vapores de combustible o disolventes en la zona de ensayo.
Además de los peligros antes mencionados relacionados con operaciones específicas, existen varios otros dignos de mención. Incluyen la exposición a solventes de limpieza, pinturas, plomo y operaciones de soldadura. Los disolventes de limpieza se utilizan en todas las operaciones de fabricación. Ha habido una tendencia reciente a pasar del uso de solventes clorados y fluorados a tipos acuosos, de terpina, de alcohol y de alcohol mineral debido a los efectos de toxicidad y agotamiento de la capa de ozono. Aunque el último grupo puede tender a ser más aceptable desde el punto de vista ambiental, a menudo presentan riesgos de incendio. Las cantidades de cualquier solvente inflamable o combustible deben limitarse en el lugar de trabajo, usarse solo de contenedores aprobados y con protección adecuada contra incendios en el lugar. El plomo se usa a veces en operaciones de forjado de superficies aerodinámicas como lubricante de matriz. Si es así, debe estar en vigor un programa integral de control y monitoreo del plomo debido a la toxicidad del plomo. En las operaciones de fabricación se utilizan muchos tipos de soldadura convencional. Las exposiciones a humos metálicos, radiación ultravioleta y ozono deben evaluarse para tales operaciones. La necesidad de controles dependerá de los parámetros operativos específicos y los metales involucrados.