Wznosimy technikę trawienia aluminium na nowy poziom

Aluminium od dawna jest materiałem z wyboru w przemyśle lotniczym, łącząc w sobie niską masę z wytrzymałością niezbędną do lotu. Stosowane zarówno w elementach konstrukcyjnych, jak i w wyposażeniu wnętrz samolotu, przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa i emisji spalin, jednocześnie zwiększając ładowność.

Co więcej, skala przyszłego popytu na samoloty sprawia, że zmniejszenie masy ma kluczowe znaczenie. Airbus prognozuje, że w ciągu najbliższych 20 lat popyt na nowe samoloty wyniesie 42 060 sztuk, a globalny ruch pasażerski ma się ponad dwukrotnie zwiększyć i osiągnąć do 2045 r. poziom około 10 miliardów pasażerów rocznie.

To sprawia, że aluminium znajduje się w centrum uwagi, ponieważ tradycyjne samoloty komercyjne o wąskim kadłubie, takie jak Boeing 737 czy Airbus A320, składają się w około 70–80 procent z aluminium w przeliczeniu na masę konstrukcyjną.

Liczba ta, oszacowana przez Narodową Akademię Nauk w jej przełomowym raporcie dotyczącym materiałów lotniczych i kosmicznych, doskonale pokazuje, dlaczego tak ważny jest wybór odpowiednich procesów produkcyjnych dla elementów aluminiowych.

Dlaczego aluminium trudno poddać trawieniu

Aluminium charakteryzuje się atrakcyjnym połączeniem niewielkiej masy, wytrzymałości, odporności na korozję oraz przewodności cieplnej. Jednak jego reaktywność sprawia, że obróbka tego materiału przy użyciu konwencjonalnych metod trawienia chemicznego stanowi szczególne wyzwanie; jest to proces produkcji subtraktywnej, w którym za pomocą środków chemicznych usuwa się fragmenty blachy.

Podczas trawienia odsłonięty metal wchodzi w reakcję z chemicznym środkiem trawiący w procesie elektrochemicznym, w wyniku którego atomy metalu ulegają utlenieniu pod wpływem odczynnika. Reakcja ta ma charakter egzotermiczny, co oznacza, że towarzyszy jej wydzielanie ciepła.

Jeśli temperatura nie będzie starannie kontrolowana, reakcja trawienia może stać się coraz trudniejsza do regulowania, co wpłynie na uzyskiwany profil krawędzi i dokładność wymiarową.

W przeszłości powodowało to powstawanie szorstkich, ziarnistych krawędzi podczas chemicznego trawienia aluminium. W zastosowaniach lotniczych, gdzie powtarzalność ma równie duże znaczenie jak pierwotny projekt, może to sprawiać, że konwencjonalne trawienie nie jest odpowiednim rozwiązaniem.

W związku z tym producenci musieli osiągnąć większą kontrolę nad składem chemicznym, temperaturą, przygotowaniem materiału i warunkami procesu, aby aluminium stało się materiałem nadającym się do precyzyjnego trawienia.

Redukcja masy bez utraty jakości

Trawienie chemiczne pozwala na usuwanie materiału bez stosowania siły mechanicznej ani intensywnego ciepła, które towarzyszą procesom takim jak obróbka skrawaniem czy cięcie laserowe, co pozwala uniknąć naprężeń mechanicznych, zadziorów i stref wpływu ciepła.

Wykorzystanie narzędzi cyfrowych pozwala również na wytwarzanie skomplikowanych geometrii bez dodatkowych kosztów, przy czym możliwe jest osiągnięcie tolerancji na poziomie nawet ±0,020 mm. Dla inżynierów z branży lotniczej stwarza to możliwości projektowania lekkich elementów, których ekonomiczna produkcja przy użyciu konwencjonalnych procesów byłaby trudna.

Zastosowania obejmują aluminiowe płyty wymienników ciepła o skomplikowanych kanałach, w których trawienie chemiczne pozwala tworzyć zawiłe ścieżki przepływu i maksymalizować powierzchnię w celu zapewnienia wydajnego zarządzania ciepłem, przy jednoczesnym zmniejszeniu całkowitych wymiarów i masy zespołu.

Z tego procesu mogą również skorzystać kratki wlotu powietrza do śmigłowców oraz elementy bezzałogowych statków powietrznych (UAV), zwłaszcza w przypadkach, gdy konieczne jest wytworzenie skomplikowanych kształtów bez powodowania odkształceń lub powstawania zadziorów.

Kolejnym przykładem są płyty grzewcze osuszaczy powietrza stosowane w kabinach samolotów. W tym przypadku trawienie chemiczne pozwala uzyskać skomplikowane, powtarzalne profile, a jednocześnie umożliwia efektywne ułożenie elementów w stosy podczas końcowego montażu.

Precyzja ma znaczenie tylko wtedy, gdy jest powtarzalna

Norma AS9100, dotycząca zarządzania jakością w organizacjach z branży lotniczej, kosmicznej i obronnej, nakłada wymóg zachowania spójności i jakości w całym łańcuchu dostaw. W przypadku trawienia chemicznego sprawia to, że spójność procesu ma kluczowe znaczenie.

Kontrola procesów chemicznych i reakcji egzotermicznych ma na celu nie tylko uzyskanie elementu o estetycznym wyglądzie, ale także zapewnienie możliwości powtarzalnego wytwarzania elementów o tej samej geometrii, o przewidywalnych właściwościach materiałowych i wymiarowych.

Nowoczesne procesy pozwalają uzyskać bardziej wygładzone profile krawędzi, węższe tolerancje i skomplikowane kształty, zachowując jednocześnie lekkość, która od początku stanowiła o atrakcyjności aluminium.

Dla producentów z branży lotniczej wyzwaniem nie jest jedynie znalezienie lekkiego materiału, ale opracowanie procesu produkcyjnego, który pozwoli zachować jego zalety, a jednocześnie zapewni precyzję i powtarzalność wymaganą w produkcji seryjnej.