A fabricação de motores aeronáuticos, sejam eles a pistão ou a jato, envolve a conversão de matérias-primas em máquinas de precisão extremamente confiáveis. Os ambientes operacionais altamente estressados associados ao transporte aéreo exigem o uso de uma ampla gama de materiais de alta resistência. Ambos os métodos de fabricação convencionais e exclusivos são utilizados.
Materiais de Construção
Os motores de aeronaves são construídos principalmente com componentes metálicos, embora nos últimos anos tenha havido a introdução de compostos de plástico para certas peças. Várias ligas de alumínio e titânio são usadas onde a resistência e o peso leve são de importância primordial (componentes estruturais, seções do compressor, estruturas do motor). As ligas de cromo, níquel e cobalto são utilizadas onde é necessária resistência a altas temperaturas e à corrosão (seções do combustor e da turbina). Numerosas ligas de aço são usadas em locais intermediários.
Uma vez que a minimização do peso em aeronaves é um fator crítico na redução dos custos do ciclo de vida (maximização da carga útil, minimização do consumo de combustível), materiais compósitos avançados foram recentemente introduzidos como substitutos leves para alumínio, titânio e algumas ligas de aço em peças estruturais e dutos onde altas temperaturas não são experimentadas. Esses compósitos consistem principalmente de poliimida, epóxi e outros sistemas de resina, reforçados com fibra de vidro ou fibras de grafite.
Operações de fabricação
Praticamente todas as operações comuns de usinagem e usinagem são usadas na fabricação de motores de aeronaves. Isso inclui forjamento a quente (aerofólios, discos de compressores), fundição (componentes estruturais, carcaças de motores), retificação, brochagem, torneamento, furação, fresagem, cisalhamento, serragem, rosqueamento, soldagem, brasagem e outros. Processos associados envolvem acabamento de metal (anodização, cromagem e assim por diante), galvanoplastia, tratamento térmico e pulverização térmica (plasma, chama). A alta resistência e dureza das ligas usadas, combinadas com suas formas complexas e tolerâncias de precisão, exigem requisitos de usinagem mais desafiadores e rigorosos do que outras indústrias.
Alguns dos processos de usinagem mais exclusivos incluem fresamento químico e eletroquímico, usinagem de descarga elétrica, perfuração a laser e soldagem por feixe de elétrons. Moagem química e eletroquímica envolvem a remoção de metal de grandes superfícies de uma maneira que retém ou cria um contorno. As peças, dependendo de sua liga específica, são colocadas em um ácido controlado altamente concentrado, cáustico ou banho de eletrólito. O metal é removido pela ação química ou eletroquímica. O fresamento químico é freqüentemente usado após o forjamento de aerofólios para trazer espessuras de parede dentro da especificação, mantendo o contorno.
Usinagem por eletrodescarga e perfuração a laser são normalmente usados para fazer furos de pequeno diâmetro e contornos intrincados em metais duros. Muitos desses orifícios são necessários nos componentes do combustor e da turbina para fins de resfriamento. A remoção de metal é realizada por ação termomecânica de alta frequência de descargas de eletrofaíscas. O processo é realizado em banho de óleo mineral dielétrico. O eletrodo serve como a imagem inversa do corte desejado.
Soldagem por feixe de elétrons é usado para unir peças onde a penetração profunda da solda é necessária em geometrias difíceis de alcançar. A solda é gerada por um feixe de elétrons focado e acelerado dentro de uma câmara de vácuo. A energia cinética dos elétrons que atingem a peça de trabalho é transformada em calor para soldagem.
Fabricação de plástico composto envolve técnicas de colocação “molhadas” ou o uso de panos pré-impregnados. Com o lay-up úmido, a mistura viscosa de resina não curada é espalhada sobre uma forma de ferramental ou molde por pulverização ou escovação. O material de reforço de fibra é colocado manualmente na resina. Resina adicional é aplicada para obter uniformidade e contorno com a forma da ferramenta. O lay-up completo é então curado em uma autoclave sob calor e pressão. Os materiais pré-impregnados consistem em folhas semi-rígidas, prontas para uso e parcialmente curadas de compósitos de resina-fibra. O material é cortado no tamanho, moldado manualmente nos contornos da forma da ferramenta e curado em autoclave. As peças curadas são convencionalmente usinadas e montadas no motor.
Inspeção e teste
Para garantir a confiabilidade dos motores de aeronaves, uma série de procedimentos de inspeção, teste e controle de qualidade são realizados durante a fabricação e no produto final. Métodos comuns de inspeção não destrutiva incluem radiografia, ultrassom, partícula magnética e penetrante fluorescente. Eles são usados para detectar quaisquer rachaduras ou falhas internas nas peças. Os motores montados geralmente são testados em células de teste instrumentadas antes da entrega ao cliente.
Perigos de saúde e segurança e seus métodos de controle
Os riscos à saúde associados à fabricação de motores de aeronaves estão relacionados principalmente à toxicidade dos materiais utilizados e seu potencial de exposição. Alumínio, titânio e ferro não são considerados significativamente tóxicos, enquanto cromo, níquel e cobalto são mais problemáticos. Certos compostos e estados de valência dos últimos três metais indicaram propriedades cancerígenas em humanos e animais. Suas formas metálicas geralmente não são consideradas tão tóxicas quanto suas formas iônicas, normalmente encontradas em banhos de acabamento de metais e pigmentos de tinta.
Na usinagem convencional, a maioria das operações é realizada usando refrigerantes ou fluidos de corte que minimizam a geração de poeira e fumaça no ar. Com exceção da retificação a seco, os metais geralmente não apresentam riscos de inalação, embora haja preocupação com a inalação de névoas de refrigerante. Uma boa quantidade de retificação é realizada, particularmente em peças de motores a jato, para misturar contornos e trazer aerofólios para suas dimensões finais. Pequenos moedores manuais são normalmente usados. Quando tal retificação é realizada em ligas à base de cromo, níquel ou cobalto, é necessária ventilação local. Isso inclui mesas de fluxo descendente e trituradores autoventilados. Dermatite e ruído são riscos adicionais à saúde associados à usinagem convencional. Os funcionários terão vários graus de contato da pele com refrigerantes e fluidos de corte durante a fixação, inspeção e remoção de peças. O contato repetido com a pele pode se manifestar em várias formas de dermatite em alguns funcionários. Geralmente, luvas protetoras, cremes de barreira e higiene adequada minimizarão esses casos. Altos níveis de ruído geralmente estão presentes na usinagem de ligas de alta resistência e paredes finas, devido à trepidação da ferramenta e à vibração da peça. Isso pode ser controlado até certo ponto por meio de ferramentas mais rígidas, amortecimento de materiais, modificação de parâmetros de usinagem e manutenção de ferramentas afiadas. Caso contrário, o EPI (por exemplo, protetores auriculares, plugues) é necessário.
Os riscos de segurança associados às operações de usinagem convencionais envolvem principalmente o potencial de lesões físicas devido ao ponto de operação, fixação e movimentos de acionamento da transmissão de energia. O controle é realizado por meio de métodos como proteções fixas, portas de acesso intertravadas, cortinas de luz, tapetes sensíveis à pressão e treinamento e conscientização dos funcionários. A proteção para os olhos sempre deve ser usada em operações de usinagem para proteção contra cavacos, partículas e respingos de refrigerantes e solventes de limpeza.
As operações de acabamento de metal, moagem química, moagem eletroquímica e galvanoplastia envolvem exposições de tanques de superfície aberta a ácidos, bases e eletrólitos concentrados. A maioria dos banhos contém altas concentrações de metais dissolvidos. Dependendo das condições operacionais e composição do banho (concentração, temperatura, agitação, tamanho), a maioria exigirá alguma forma de ventilação local para controlar os níveis de gases, vapores e névoas no ar. Vários designs de capô laterais tipo ranhura são comumente usados para controle. Projetos de ventilação e diretrizes operacionais para diferentes tipos de banhos estão disponíveis através de organizações técnicas, como a Conferência Americana de Higienistas Industriais Governamentais (ACGIH) e o Instituto Nacional de Padrões Americanos (ANSI). A natureza corrosiva desses banhos exige o uso de proteção para os olhos e a pele (óculos contra respingos, protetores faciais, luvas, aventais e assim por diante) ao trabalhar em torno desses tanques. Lava-olhos e chuveiros de emergência também devem estar disponíveis para uso imediato.
A soldagem por feixe de elétrons e a perfuração a laser apresentam riscos de radiação para os trabalhadores. A soldagem por feixe de elétrons gera radiação secundária de raios X (Bremsstrahlung efeito). Em certo sentido, a câmara de soldagem constitui um tubo de raios X ineficiente. É fundamental que a câmara seja construída de material ou contenha blindagem que atenue a radiação aos níveis práticos mais baixos. A blindagem de chumbo é frequentemente usada. Pesquisas de radiação devem ser realizadas periodicamente. Os lasers apresentam riscos oculares e cutâneos (térmicos). Além disso, existe o potencial de exposição aos vapores metálicos produzidos pela evaporação do metal base. Os perigos do feixe associados às operações com laser devem ser isolados e contidos, sempre que possível, em câmaras intertravadas. Um programa abrangente deve ser rigorosamente seguido. Ventilação local deve ser fornecida onde vapores metálicos são gerados.
Os principais perigos relacionados à fabricação de peças plásticas compostas envolvem exposição química a componentes de resina não reagidos e solventes durante operações de assentamento úmido. De particular interesse são as aminas aromáticas usadas como reagentes em resinas de poliimida e endurecedores em sistemas de resina epóxi. Vários desses compostos são cancerígenos humanos confirmados ou suspeitos. Eles também exibem outros efeitos tóxicos. A natureza altamente reativa desses sistemas de resina, particularmente epóxis, causa sensibilização cutânea e respiratória. O controle dos perigos durante as operações de paralisação úmida deve incluir ventilação local e uso extensivo de equipamentos de proteção individual para evitar o contato com a pele. As operações de lay-up usando folhas pré-impregnadas geralmente não apresentam exposições ao ar, mas a proteção da pele deve ser usada. Após a cura, essas peças são relativamente inertes. Eles não apresentam mais os perigos de seus reagentes constituintes. A usinagem convencional das peças, no entanto, pode produzir poeiras incômodas de natureza irritante, associadas aos materiais de reforço compostos (fibra de vidro, grafite). A ventilação local da operação de usinagem é frequentemente necessária.
Os riscos à saúde associados às operações de teste geralmente envolvem radiação (raios x ou gama) da inspeção radiográfica e ruído dos testes do produto final. As operações radiográficas devem incluir um programa abrangente de segurança contra radiação, completo com treinamento, monitoramento de crachá e pesquisas periódicas. As câmaras de inspeção radiográfica devem ser projetadas com portas intertravadas, luzes de operação, fechamentos de emergência e blindagem adequada. As áreas de teste ou células onde os produtos montados são testados devem ser tratadas acusticamente, especialmente para motores a jato. Os níveis de ruído nos consoles de controle devem ser controlados abaixo de 85 dBA. Providências também devem ser tomadas para evitar qualquer acúmulo de gases de escape, vapores de combustível ou solventes na área de teste.
Além dos riscos mencionados relacionados a operações específicas, existem vários outros dignos de nota. Eles incluem a exposição a solventes de limpeza, tintas, chumbo e operações de soldagem. Solventes de limpeza são usados em todas as operações de fabricação. Tem havido uma tendência recente do uso de solventes clorados e fluorados para tipos aquosos, terpínicos, álcool e álcool mineral devido à toxicidade e aos efeitos de destruição do ozônio. Embora o último grupo possa tender a ser mais aceitável ambientalmente, eles geralmente apresentam riscos de incêndio. As quantidades de quaisquer solventes inflamáveis ou combustíveis devem ser limitadas no local de trabalho, usadas apenas em recipientes aprovados e com proteção contra incêndio adequada. O chumbo às vezes é usado em operações de forjamento de aerofólio como lubrificante de matrizes. Nesse caso, um programa abrangente de controle e monitoramento de chumbo deve estar em vigor devido à toxicidade do chumbo. Muitos tipos de soldagem convencional são usados em operações de fabricação. Fumos de metal, radiação ultravioleta e exposição ao ozônio precisam ser avaliados para tais operações. A necessidade de controles dependerá dos parâmetros operacionais específicos e dos metais envolvidos.