PROCESOS
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Foto: www.ciac.gov.co
Cuidados en la manufactura y el tratamiento del aluminio aeronáutico *Esteban Sánchez Molina
Ingeniero Aeronáutico Coordinador de Innovación & Desarrollo. Tratamientos Ferrotérmicos SAS.
Materiales de alto vuelo.
La fabricación de componentes en la industria aeronáutica, por la complejidad de sus piezas, de sus ensamblajes y por los materiales que se utilizan, requiere cuidados especiales. La mínima falla durante la manufactura o en el tratamiento térmico afecta el resultado final.
En el siguiente artículo se realiza una propuesta metodológica que busca contribuir con la calidad de los procesos de manufactura de productos metálicos en el sector aeronáutico nacional. Dentro de este análisis se propone la reproducción y la fabricación de partes aeronáuticas mediante ingeniería inversa, con una combinación de técnicas y ensayos que sirven para la caracterización e identificación de las piezas antes de ser construidas e integradas en la estructura. Además, se analiza la importancia de los tratamientos térmicos de las aleaciones de aluminio para mejorar las propiedades mecánicas de los componentes aeronáuticos, e incluso evidenciar errores de fabricación, que saltan a la vista durante el tratamiento.
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Fuente: www.moldesymatrices.com
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El contexto Aunque es cierto que Colombia no produce materia prima especializada para aplicaciones aeronáuticas, y el país no es, ni mucho menos, una potencia en el desarrollo de piezas para aeronaves, la fabricación de componentes para este sector es una técnica que cada vez tiene más auge en la metalmecánica nacional. Hace relativamente poco, por razones de procedencia de las aeronaves, el tiempo de uso o las regulaciones de cada fabricante, en el país no se podían realizar cambios o modificaciones de los diseños de componentes aeronáuticos; lo cual limitaba a los talleres a ejecutar mantenimientos, inspecciones y verificaciones programadas, mientras que la gran mayoría de la reparación y la fabricación de piezas debían ser contratadas en el exterior. Sin embargo, en los últimos años, es notorio el aumento de las compañías que han empezado un proceso de certificación de sus talleres y ahora fabrican, aunque pocas, partes para aeronaves de aleaciones especiales de acero y aluminio. Son empresas dedicadas a la metalmecánica avanzada, que deben superar exigentes procesos de acreditación y certificación para ser WWW.METALACTUAL.COM
avalados como fabricantes aeronáuticos; ya que, por las rigurosas medidas de seguridad que implica este tipo de manufactura, y por las propiedades intrínsecas de las aleaciones de acero y aluminio para aeronaves, los métodos de fabricación difieren con respecto a los procesos y los materiales tradicionales.
relativa facilidad, ampollas, marcas o huellas en la superficie del material durante los tratamientos térmicos.
El reto
La propuesta
Específicamente, en los talleres aeronáuticos se utilizan aleaciones de aluminio a las que se le pueden realizar tratamientos térmicos de endurecimiento, que aportan al material un incremento en sus propiedades mecánicas.
En la industria local, muchas veces se desconoce la trazabilidad de las partes aeronáuticas, no se cuenta con los planos, o con la documentación especifica que indique la procedencia de una pieza, ni el tipo de aleación de la cual está fabricada y, menos, el método de fabricación. En estos casos, únicamente queda recurrir a la llamada Ingeniería Inversa para alcanzar resultados óptimos.
Dependiendo del uso, geometría, método de fabricación y durabilidad, se definen los tipos de aluminio a usar y los métodos de optimizar sus propiedades. En este sentido, por ejemplo, las técnicas utilizadas en los talleres, habitualmente, para el reconformado de piezas de aluminio, deben ser muy exigentes y cuidadosas. En los componentes de aluminio hay una mayor probabilidad de que aparezcan defectos como deformaciones, desgarros, melladuras, ralladuras, entre otras durante la fabricación, así mismo, al tener una menor dureza que el acero pueden aparecer con
Para evitar esto, se requiere que se tengan en cuenta los métodos de inspección y manipulación desde las primeras fases de diseño del componente.
Básicamente, la Ingeniería Inversa es caracterizar la pieza original, para identificar cada una de las propiedades físico-mecánicas del componente y poder fabricar una réplica exacta. Primero, hay que realizar el análisis de todas las variables alrededor de la pieza, identificando el uso y los esfuerzos aplicados a la pieza; realizar el dimensionamiento metrológico general y detallado de la misma y,
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posteriormente, ejecutar una serie de ensayos y análisis para definir sus propiedades químicas y físicas, identificando el tipo de aleación y el método de fabricación, entre otras. Este tipo de trabajos y análisis deben realizarse en laboratorios con una serie de equipos especiales y bajo infraestructuras adecuadas y auditados bajo normas y estándares internacionales vigentes, que den toda la credibilidad a los resultados. La exigencia parte básicamente en que la falla en un material, un procedimiento, un sistema o un concepto puede concluir en el accidente de una aeronave y con esto, posiblemente en la pérdida de vidas humanas. En la última década, y para abastecer la demanda y exigencia que requiere la industria aeronáutica, surgen laboratorios como el de la compañía Tratamientos Ferrotérmicos, que han adquirido, desarrollado y optimizado los procedimientos referentes a la caracterización de materiales, tratamientos de aluminios y análisis de falla de múltiples piezas. Así mismo, fabricantes como Antares IAC, los cuales cuentan con los equipos y procedimientos certificados para la fabricación de partes aeronáuticas.
Viga tipo “C” estructural de aluminio, de la compuerta de una aeronave de carga. Falla por sobreesfuerzo puntual debido a un problema en el sistema hidráulico de apertura.
puede seguir repitiéndose la falla. Identificar si es por el tiempo de vida útil de la pieza, falla prematura, ciclos de vuelo, diseño defectuoso, etc. 2. Metrología detallada: es necesario identificar la geometría exacta de la pieza antes de realizar alguna modificación y plasmarla en un software de modelación, teniendo en cuenta que muchos de los análisis
de caracterización mecánica del material son de carácter destructivo. 3. Identificar las propiedades químicas: así determinar el tipo de aleación de acuerdo a la normatividad aplicable (ASTM, SAE, ASME, AISI, etc.). Dado el caso que la pieza presente un recubrimiento en especial, se pueden utilizar otros métodos para identificar la composición química (ej. fluorescencia de rayos X).
En muchos casos, la “ingeniería inversa” realizada a las partes aeronáuticas no se ejecuta de la manera adecuada y al momento de la fabricación y puesta en trabajo de la pieza se evidencian daños e imperfecciones, que en el caso de ser una pieza crítica en la aeronave (fundamental para soportar cargas en un sistema o estructura) pueden generar su falla y finalmente un accidente. A continuación, se exponen algunos de los pasos lógicos para realizar un proceso de ingeniería inversa. 1. Identificar la causa de la falla de la pieza: en muchos casos, la falla prematura de una pieza puede deberse a una falencia en un conjunto donde se ven implicadas varias piezas, y aun realizando el cambio
Modelamiento de una herramienta utilizada en la instalación de partes aeronáuticas.
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Composición química realizada por espectrometría óptica a una aleación de aluminio de la serie 2xxx Espectrómetro óptico de emisión
Aluminio
Elemento
Resultado %
Elemento
Resultado %
Al
93.036
Ni
0.001
Si
0.132
Zn
0.132
Fe
0.270
Ti
0.023
Cu
3.738
V
0.005
Mn
0.665
Pb
0.012
Mg
1.928
Sn
0.006
Cr
0.053
P
0.000
5. Manufactura: se procede con la fabricación del material de acuerdo a la caracterización previa, siendo fabricado por métodos como la laminación, forja, extrusión, mecanizado, soldadura, deformación, fundición, entre otros. Es importante que dichos procesos cuenten con los estándares más altos de calidad. Posteriormente el tratamiento térmico, de requerirse.
Comentarios: Composición química de aluminio aleado al Cu y Mg
4. Identificar las propiedades físicas y mecánicas del material, en donde se realizan ensayos como: • Metalografía: uno de los ensayos más importantes en la caracterización de material, pues nos permite identificar la microestructura, defectos en el material (inclusiones, segregaciones, poros, grietas, corrosión, concentración de carburos, entre otros), también podemos determinar el método de fabricación, si la pieza presenta
tratamientos térmicos, mientos o soldadura.
recubri-
• Ensayos mecánicos: son pruebas necesarias para identificar las propiedades mecánicas del material, tales como la dureza, esfuerzo máximo a tracción, fluencia, elongación, resistencia al impacto, resistencia al desgaste, flexión, compresión, esfuerzo cortante, etc. En los aluminios se determina la condición de tratamiento térmico o deformación que presente la pieza (-T)
Aluminio 2024 T4 Lámina sección transversal (campo claro – 200x)
Tratamiento térmico posterior a la fabricación. La imagen corresponde a un acero
6. Acabado y procesos superficiales: teniendo en cuenta procesos como rectificados, pulidos superficiales, limpieza o recubrimientos especiales.
Aluminio 2024 T4 Lámina sección transversal (campo oscuro – 200x)
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7. Pruebas: a las piezas fabricadas es necesario realizarles pruebas mecánicas para garantizar que efectivamente cumplen la función para cual fue fabricada, tal y como lo hace la pieza original.
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Recomendaciones de manufactura y tratamientos térmicos para las aleaciones aeronáuticas Evite la corrosión: el tema de la corrosión es muy crítico en todos los componentes que constituyen una aeronave, con referencia al aluminio aeronáutico y teniendo en cuenta las condiciones tan variables bajo las cuales trabajan las piezas aeronáuticas (cambios de temperatura, presiones variables, esfuerzos combinados, humedad, etc.), se debe garantizar una excelente protección a la corrosión. En aleaciones series 2xxx y 7xxx (2024 y 7075), por lo general vienen con películas o capas llamadas CLAD, las cuales están hechas de algún otro tipo de aluminio con aleantes elevados que protegen de la corrosión. Adicionalmente se aplican recubrimientos (ej. allodine) y pinturas especiales para reforzar dicha protección entre otras. Use herramientas exclusivas al trabajar aluminio aeronáutico: una de las ventajas más grandes del aluminio es su relación resistencia – peso, gracias a sus buenas propiedades de resistencia mecánica y su baja densidad, lo que facilita su conformado y métodos de fabricación como la extrusión o forja en cuanto a las cargas y deformaciones a obtener. Se debe tener en cuenta que el aluminio exige herramientas completamente diferentes al acero, en procesos por ejemplo como el mecanizado, rectificado y tratamiento térmico, que, aunque los principios son los mismos, las condiciones cambian drásticamente. Identifique los procesos y aportes de soldadura adecuados: así como en el acero, existen diversos tipos de aleaciones en el aluminio, cada una especializada en un tipo de trabajo especial. El aluminio en general presenta una excelente conductividadtérmica,sinembargo,solociertotipo de aleaciones (ej. 6061) presenta propiedades de soldabilidad buenas y así mismo permitemejorarsuspropiedadesmecánicas portratamientotérmicoodeformación.Para otro tipo de aleaciones, aunque no es imposible, requiere de un esfuerzo y técnicas más complejas. Cuide la limpieza del proceso: los métodos de fabricación de los aluminios, así como su manufactura, deben ser lo más “limpios” posibles. Mientras el aluminio se mantenga en óptimas condiciones de integridad física, menores serán los riesgos de afectar su estructura en procesos como el mecanizado o el tratamiento térmico.
Deformaciones drásticas por una incorrecta manufactura que modifican el espesor de la lámina y por ende su resistencia mecánica.
Las pruebas y los tratamientos Los procedimientos incorrectos en la fabricación de las piezas aeronáuticas, específicamente de aluminio, afectan sus propiedades mecánicas y físicas. Para dar ejemplo de esto, se realizaron en el laboratorio una serie de pruebas de inspección visual, ensayos de metalografía y dureza, a dos piezas de aluminio de las series 2024 y 7075, comúnmente empleadas en los componentes aeronáuticos, en las que se identificaron graves errores de fabricación antes y después del tratamiento térmico. Entre otras, deformaciones drásticas que afectan la resistencia mecánica del material y la pieza, ampollas y manchas que se evidenciaron una vez se realizó el tratamiento y que muestran perdida de las propiedades de dureza y conductividad eléctrica, con respecto al resto de la pieza.
Así mismo, se tomó una muestra de un perfil extruido de aluminio grado 7075 en condición T0 y se le aplicó proceso de recocido total, posterior al cual se presentaron defectos superficiales como pulido en algunas caras, ampollas y deformaciones profundas realizadas con herramientas incorrectas y que fueron evidentes después del tratamiento térmico. Se detecta que, al no tener un proceso de fabricación y manipulación adecuadas en el material, se generan daños irreparables en la estructura del aluminio. La manipulación del aluminio debe realizarse con herramientas y equipos diseñados para ello, de lo contrario se pueden generar defectos que finalmente modifiquen las propiedades mecánicas y finalmente induzca a la falla.
Pieza de aluminio 2024 con ampollas y manchas resultantes en el tratamiento térmico. En las zonas afectadas las propiedades de dureza y conductividad eléctrica son diferentes a comparación del resto de la pieza.
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revista1_v4_curvas.pdf 1 24/04/2016 06:01:27 p.m.
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Pieza original de aluminio 7075 T0, la cual presenta zonas pulidas incorrectamente con degradación superficial y deformaciones.
Posterior al tratamiento térmico, se identifica que la estructura superficial del aluminio no es homogénea, debido a la pérdida del Clad en algunas de las caras y a las deformaciones presentes. C
*Autor
M
Y
Henry Esteban Sánchez Molina. Coordinador de Innovación & Desarrollo. Tratamientos Ferrotérmicos SAS. Ingeniero Aeronáutico de la Universidad de San Buenaventura Bogotá D.C. Certificado en el ASM International (Ohio, Estados Unidos) para análisis metalográfico. Con amplia experiencia en ensayos, caracterización y análisis de causa de falla de diversos tipos de materiales, tales como partes y estructuras de aeronaves, máquinas, herramientas, tuberías, etc. relacionados con el sector aeronáutico, Oíl & Gas, industrial, minero, autopartista y metalmecánico. Identificación de aleaciones y microestructuras (composición química y metalografía) de materiales ferrosos y no ferrosos, ingeniería inversa y métodos de fabricación de piezas, tratamiento térmico y recubrimientos, modelamiento y simulación de partes y estructuras por elementos finitos. Manejo de equipos y máquinas de ensayos en laboratorio y en campo.
[email protected] / www.ferrotermicos.com / PBX (57-1) 4096611
Agradecimientos - Óscar Alba. Tecnólogo en ingeniería Mecánica. Asistente del Laboratorio de Innovación y Desarrollo de Tratamientos Ferrotérmicos, encargado de la preparación y desarrollo de los ensayos metalográficos. Consulte también en www.metalactual.com - Aleaciones de aluminio y su importancia en la industria aeroespacial. (www.metalactual.com/revista/31/materiales_aleaciones.pdf) - Tratamientos térmicos para aluminios. (www.metalactual.com/revista/31/tratamientos_termicos.pdf)
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