La fabbricazione di motori aeronautici, siano essi a pistoni oa getto, comporta la conversione di materie prime in macchine di precisione estremamente affidabili. Gli ambienti operativi altamente sollecitati associati al trasporto aereo richiedono l'uso di un'ampia gamma di materiali ad alta resistenza. Vengono utilizzati sia metodi di produzione convenzionali che unici.
Materiali da costruzione
I motori degli aerei sono costruiti principalmente con componenti metallici, anche se negli ultimi anni si è assistito all'introduzione di compositi plastici per alcune parti. Vengono utilizzate varie leghe di alluminio e titanio dove resistenza e leggerezza sono di primaria importanza (componenti strutturali, sezioni compressori, telai motore). Le leghe di cromo, nichel e cobalto vengono utilizzate dove è richiesta resistenza alle alte temperature e alla corrosione (sezioni combustore e turbina). Numerose leghe di acciaio vengono utilizzate in posizioni intermedie.
Poiché la minimizzazione del peso sugli aeromobili è un fattore critico per ridurre i costi del ciclo di vita (massimizzazione del carico utile, riduzione al minimo del consumo di carburante), sono stati recentemente introdotti materiali compositi avanzati come sostituti leggeri dell'alluminio, del titanio e di alcune leghe di acciaio nelle parti strutturali e nelle condutture dove non si verificano alte temperature. Questi compositi sono costituiti principalmente da poliimmide, resina epossidica e altri sistemi di resina, rinforzati con fibre di vetro intrecciate o fibre di grafite.
Operazioni di manifattura
Praticamente ogni comune operazione di lavorazione e lavorazione dei metalli viene utilizzata nella produzione di motori aeronautici. Ciò include forgiatura a caldo (profili alari, dischi di compressori), fusione (componenti strutturali, telai di motori), rettifica, brocciatura, tornitura, foratura, fresatura, tranciatura, segatura, filettatura, saldatura, brasatura e altro. I processi associati comprendono la finitura dei metalli (anodizzazione, cromatura e così via), la galvanica, il trattamento termico e la spruzzatura termica (plasma, fiamma). L'elevata resistenza e durezza delle leghe utilizzate, combinate con le loro forme complesse e le tolleranze di precisione, richiedono requisiti di lavorazione più impegnativi e rigorosi rispetto ad altri settori.
Alcuni dei processi di lavorazione dei metalli più unici includono la fresatura chimica ed elettrochimica, la lavorazione a elettroerosione, la perforazione laser e la saldatura a fascio di elettroni. Fresatura chimica ed elettrochimica comportano la rimozione di metallo da grandi superfici in modo da mantenere o creare un contorno. Le parti, a seconda della lega specifica, vengono poste in un bagno acido, caustico o elettrolitico controllato ad alta concentrazione. Il metallo viene rimosso dall'azione chimica o elettrochimica. La fresatura chimica viene spesso utilizzata dopo la forgiatura di profili aerodinamici per portare gli spessori delle pareti nelle specifiche mantenendo il contorno.
Lavorazioni con elettroerosione e foratura laser sono tipicamente utilizzati per realizzare fori di piccolo diametro e contorni intricati in metalli duri. Molti di questi fori sono richiesti nei componenti del combustore e della turbina per scopi di raffreddamento. La rimozione del metallo è ottenuta mediante l'azione termomeccanica ad alta frequenza delle scariche elettro-scintille. Il processo viene eseguito in un bagno di olio minerale dielettrico. L'elettrodo funge da immagine inversa del taglio desiderato.
Saldatura a fascio di elettroni viene utilizzato per unire parti in cui è richiesta una profonda penetrazione della saldatura in geometrie difficili da raggiungere. La saldatura è generata da un fascio di elettroni focalizzato e accelerato all'interno di una camera a vuoto. L'energia cinetica degli elettroni che colpiscono il pezzo viene trasformata in calore per la saldatura.
Fabbricazione di plastica composita prevede tecniche di lay-up “a umido” o l'utilizzo di panni preimpregnati. Con la laminazione a umido, la miscela di resina viscosa non indurita viene stesa su una forma o uno stampo per utensili mediante spruzzatura o pennello. Il materiale di rinforzo in fibra viene posato manualmente nella resina. Resina aggiuntiva viene applicata per ottenere uniformità e contorno con la forma degli utensili. Il lay-up completato viene quindi polimerizzato in un'autoclave sotto calore e pressione. I materiali preimpregnati sono costituiti da lastre semirigide, pronte all'uso, parzialmente indurite di compositi in fibra di resina. Il materiale viene tagliato a misura, modellato manualmente sui contorni della forma degli utensili e polimerizzato in autoclave. Le parti indurite vengono lavorate convenzionalmente e assemblate nel motore.
Ispezione e test
Per garantire l'affidabilità dei motori aeronautici, durante la fabbricazione e sul prodotto finale vengono eseguite una serie di procedure di ispezione, collaudo e controllo qualità. I comuni metodi di ispezione non distruttivi includono radiografia, ultrasuoni, particelle magnetiche e penetranti fluorescenti. Sono utilizzati per rilevare eventuali crepe o difetti interni all'interno delle parti. I motori assemblati vengono solitamente testati in celle di prova strumentate prima della consegna al cliente.
Rischi per la salute e la sicurezza e relativi metodi di controllo
I rischi per la salute associati alla fabbricazione di motori aeronautici sono principalmente legati alla tossicità dei materiali utilizzati e al loro potenziale di esposizione. Alluminio, titanio e ferro non sono considerati significativamente tossici, mentre cromo, nichel e cobalto sono più problematici. Alcuni composti e stati di valenza degli ultimi tre metalli hanno indicato proprietà cancerogene nell'uomo e negli animali. Le loro forme metalliche non sono generalmente considerate tossiche come le loro forme ioniche, tipicamente presenti nei bagni di finitura dei metalli e nei pigmenti di vernice.
Nella lavorazione convenzionale, la maggior parte delle operazioni viene eseguita utilizzando refrigeranti o fluidi da taglio che riducono al minimo la generazione di polvere e fumi nell'aria. Ad eccezione della macinazione a secco, i metalli di solito non presentano rischi di inalazione, anche se vi è preoccupazione per l'inalazione di nebbie di refrigerante. Viene eseguita una discreta quantità di rettifica, in particolare su parti di motori a reazione, per fondere i contorni e portare i profili alari nelle loro dimensioni finali. In genere vengono utilizzate piccole smerigliatrici manuali. Quando tale molatura viene eseguita su leghe a base di cromo, nichel o cobalto, è necessaria la ventilazione locale. Ciò include tavoli downdraft e macine autoventilanti. Dermatiti e rumore sono ulteriori rischi per la salute associati alla lavorazione convenzionale. I dipendenti avranno vari gradi di contatto della pelle con refrigeranti e fluidi da taglio durante il fissaggio, l'ispezione e la rimozione di parti. Il contatto ripetuto con la pelle può manifestarsi in varie forme di dermatite in alcuni dipendenti. In generale, guanti protettivi, creme barriera e un'adeguata igiene ridurranno al minimo tali casi. Elevati livelli di rumorosità sono spesso presenti durante la lavorazione di leghe a parete sottile e ad alta resistenza, a causa delle vibrazioni dell'utensile e delle parti. Questo può essere controllato in una certa misura attraverso utensili più rigidi, materiali di bagnatura, modifica dei parametri di lavorazione e mantenimento degli utensili affilati. In caso contrario, sono richiesti DPI (ad es. cuffie, tappi).
I rischi per la sicurezza associati alle operazioni di lavorazione convenzionali riguardano principalmente il potenziale di lesioni fisiche dovute ai movimenti di azionamento del punto di operazione, fissaggio e trasmissione di potenza. Il controllo viene realizzato attraverso metodi quali protezioni fisse, porte di accesso interbloccate, barriere fotoelettriche, tappetini sensibili alla pressione e formazione e sensibilizzazione dei dipendenti. La protezione degli occhi deve essere sempre utilizzata durante le operazioni di lavorazione per proteggersi da trucioli volanti, particelle e spruzzi di refrigeranti e solventi per la pulizia.
Le operazioni di finitura dei metalli, la fresatura chimica, la fresatura elettrochimica e la galvanica comportano l'esposizione di serbatoi a superficie aperta ad acidi, basi ed elettroliti concentrati. La maggior parte dei bagni contiene alte concentrazioni di metalli disciolti. A seconda delle condizioni operative e della composizione del bagno (concentrazione, temperatura, agitazione, dimensioni), la maggior parte richiederà una qualche forma di ventilazione locale per controllare i livelli di gas, vapori e nebbie nell'aria. Per il controllo vengono comunemente utilizzati vari design del cappuccio laterale a fessura. I progetti di ventilazione e le linee guida operative per diversi tipi di bagni sono disponibili tramite organizzazioni tecniche come l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) e l'American National Standards Institute (ANSI). La natura corrosiva di questi bagni impone l'uso di protezioni per occhi e pelle (occhiali antispruzzo, schermi facciali, guanti, grembiuli e così via) quando si lavora intorno a questi serbatoi. Devono essere disponibili anche lavaocchi e docce di emergenza per un uso immediato.
La saldatura a fascio di elettroni e la perforazione laser presentano rischi di radiazioni per i lavoratori. La saldatura a fascio di elettroni genera radiazioni di raggi X secondarie (bremsstrahlung effetto). In un certo senso, la camera di saldatura costituisce un tubo a raggi X inefficiente. È fondamentale che la camera sia costruita con materiale o contenga una schermatura che attenuerà la radiazione ai livelli pratici più bassi. Viene spesso utilizzata la schermatura in piombo. Le indagini sulle radiazioni dovrebbero essere eseguite periodicamente. I laser presentano rischi oculari e cutanei (termici). Inoltre, esiste la possibilità di esposizione ai fumi metallici prodotti dall'evaporazione del metallo di base. I pericoli del raggio associati alle operazioni laser dovrebbero essere isolati e contenuti, ove possibile, all'interno di camere interbloccate. Un programma completo dovrebbe essere rigorosamente seguito. Dovrebbe essere fornita ventilazione locale dove vengono generati fumi metallici.
I principali pericoli legati alla fabbricazione di parti in plastica composita comportano l'esposizione chimica a componenti di resina non reagita e solventi durante le operazioni di laminazione a umido. Di particolare interesse sono le ammine aromatiche utilizzate come reagenti nelle resine poliimmidiche e indurenti nei sistemi di resine epossidiche. Alcuni di questi composti sono cancerogeni umani confermati o sospetti. Esibiscono anche altri effetti tossici. La natura altamente reattiva di questi sistemi di resine, in particolare le resine epossidiche, provoca sensibilizzazione cutanea e respiratoria. Il controllo dei pericoli durante le operazioni di rimessaggio a umido dovrebbe includere la ventilazione locale e l'ampio uso di dispositivi di protezione individuale per prevenire il contatto con la pelle. Le operazioni di laminazione con fogli preimpregnati di solito non presentano esposizioni per via aerea, ma è necessario utilizzare la protezione della pelle. Dopo l'indurimento, queste parti sono relativamente inerti. Non presentano più i pericoli dei loro reagenti costituenti. Le lavorazioni convenzionali dei pezzi, però, possono produrre fastidiose polveri di natura irritante, associate ai materiali compositi di rinforzo (fibra di vetro, grafite). Spesso è necessaria la ventilazione locale dell'operazione di lavorazione.
I rischi per la salute associati alle operazioni di test di solito comportano radiazioni (raggi x o gamma) dall'ispezione radiografica e rumore dai test del prodotto finale. Le operazioni radiografiche dovrebbero includere un programma completo di radioprotezione, completo di addestramento, monitoraggio con badge e controlli periodici. Le camere di ispezione radiografica devono essere progettate con porte interbloccate, luci operatorie, arresti di emergenza e schermatura adeguata. Le aree di prova o le celle in cui vengono testati i prodotti assemblati devono essere trattate acusticamente, in particolare per i motori a reazione. I livelli di rumore alle console di controllo devono essere controllati al di sotto di 85 dBA. Dovrebbero inoltre essere prese disposizioni per evitare qualsiasi accumulo di gas di scarico, vapori di carburante o solventi nell'area di prova.
Oltre ai suddetti pericoli legati a specifiche operazioni, ve ne sono molti altri degni di nota. Includono l'esposizione a solventi per la pulizia, vernici, piombo e operazioni di saldatura. I solventi per la pulizia vengono utilizzati durante le operazioni di produzione. C'è stata una recente tendenza ad abbandonare l'uso di solventi clorurati e fluorurati a tipi acquosi, terpenici, alcolici e ragia minerale a causa della tossicità e degli effetti di riduzione dell'ozono. Sebbene quest'ultimo gruppo possa tendere ad essere più accettabile dal punto di vista ambientale, spesso presenta rischi di incendio. Le quantità di qualsiasi solvente infiammabile o combustibile devono essere limitate sul posto di lavoro, utilizzate solo da contenitori approvati e con un'adeguata protezione antincendio. Il piombo viene talvolta utilizzato nelle operazioni di forgiatura del profilo alare come lubrificante per stampi. In tal caso, dovrebbe essere in vigore un programma completo di controllo e monitoraggio del piombo a causa della tossicità del piombo. Molti tipi di saldatura convenzionale vengono utilizzati nelle operazioni di produzione. Fumi metallici, radiazioni ultraviolette ed esposizioni all'ozono devono essere valutati per tali operazioni. La necessità di controlli dipenderà dai parametri operativi specifici e dai metalli coinvolti.