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Verso lo sviluppo di nuove tecnologie di lavorazione per far fronte all'incremento della produzione di motori aeronautici

IHI Corporation Soma N.2 Aero-Engine Works produce più di 3.500 componenti per motori aeronautici, tra i quali dischi, blisk e trasmissioni. Dotato di oltre 700 unità di lavorazione, questo impianto impiega più di 100.000 processi produttivi e gestisce la produzione in piccoli lotti di un'ampia varietà di prodotti. In quest'articolo ci concentriamo su questo sito di lavorazione all'avanguardia che supporta l'intera industria aerospaziale. 

IHI: leader nella produzione di motori aeronautici in Giappone

IHI Corporation è impegnata in quattro principali aree di business: "Risorse, Energia e Ambiente", "Infrastrutture Sociali, Impianti Offshore", "Sistemi Industriali, Macchinari per Utilizzazioni Generiche" e "Motori Aeronautici, Spazio e Difesa". La nostra attività di produzione di motori aeronautici rappresenta il 60–70% della nostra produzione totale in Giappone. IHI è anche il principale appaltatore coinvolto nella produzione della maggior parte degli aeromobili impiegati dal Ministero della Difesa giapponese. L'azienda ha partecipato a diversi progetti internazionali per lo sviluppo congiunto di un'ampia gamma di motori per aeromobili commerciali attraverso l'ideazione, la produzione e la fornitura di moduli e componenti. Inoltre, il know-how accumulato in materia di sviluppo e produzione di motori viene utilizzato anche nei lavori di manutenzione e riparazione, aspetto notevolmente apprezzato da molti clienti, tra cui compagnie aeree d'oltremare che affidano la manutenzione a IHI. 

Lo stabilimento Soma N.2 Aero-Engine Works, equipaggiato con le attrezzature più avanzate

IHI dispone di quattro impianti per la produzione, l'assemblaggio e la manutenzione di motori per aeromobili: Kure Aero-Engine & Turbo Machinery Works (città di Kure ad Hiroshima), Mizuho Aero-Engine Works (Mizuho-cho, Tokyo), Soma N.1 & N.2 Aero-Engine Works (città di Soma City a Fukushima). L'IHI Soma Works, il maggiore stabilimento IHI, si trova a Onodai, a 10 km dalla costa del Pacifico nella prefettura di Fukushima.

Il Soma N.1 Works è stato fondato nel 1998 come quarta base di produzione del settore "Motori Aeronautici, Spazio e Difesa", con il parziale trasferimento delle funzioni dell'impianto Tanashi Aero-Engine per la produzione dei componenti dei motori aerospaziali. Nel 2006, le rimanenti funzioni dell'impianto di Tanashi sono state trasferite al Soma N.2 Works. L'IHI Soma Works è dotato di cavi elettrici e tubi dell'aria compressa lungo le travi dell'edificio, per rifornire le differenti attrezzature. Ciò consente la libera disposizione delle attrezzature per permettere una flessibilità di risposta alle variazioni della domanda. Gli impianti sono puliti e privi degli odori dell'olio di lavorazione, consentendo ai dipendenti di lavorare in un ambiente confortevole. 

L'accurata lavorazione dei componenti dei motori aerospaziali, grazie al costante sviluppo di nuove tecnologie di lavorazione

Le esigenze del settore aerospaziale sono in evoluzione: insieme a un aumento della domanda, si prevede un'attenzione sempre maggiore per l'ambiente e quindi la richiesta sempre maggiore di motori aerospaziali eco sostenibili. Come risponde a queste esigenze del mercato lo stabilimento Soma N.2 Aero-Engine Works, dove vengono prodotte parti di turbine a bassa pressione? L'abbiamo chiesto al General Manager Ryoji Takahashi, l'ingegnere Masayoshi Ando ed il Manager Hatsuo Okada del Production Engeneering Department del Soma N.2 Aero-Engine Works. 

Quali sono i punti di forza del Works, 
che contribuiscono all'alta quota di mercato di IHI?

Takahashi: "IHI vanta una lunga esperienza e un vasto know-how nella produzione e nell'assemblaggio di componenti per motori aerospaziali. L'albero e gli elementi di turbine a bassa pressione sono la nostra specialità, e sono fortemente apprezzati dai nostri clienti. La nostra società è cresciuta grazie ai contratti con il Ministero della Difesa; tuttavia, ultimamente la quota di vendite di motori aeronautici commerciali è aumentata. Inoltre, IHI è una delle poche società a poter vantare l'ampiezza di conoscenze e tecnologie richieste per gestire l'intero processo produttivo dei motori". 

Ci può parlare dell'importanza della precisione nella lavorazione delle componenti per motori aerospaziali?

Takahashi: "Molti dei componenti dei motori aerospaziali sono realizzati in materiali leggeri ma estremamente duri e resistenti al taglio; la precisione richiesta nella lavorazione per la maggior parte di questi componenti deve essere inferiore a 0,01 mm. I nostri processi produttivi, gestiti rigorosamente, garantiscono la produzione di componenti di alta qualità. Lo sviluppo di motori richiede test di lavorazione e valutazioni delle prestazioni degli utensili condotti per un periodo di tempo prolungato, per determinare i processi produttivi finali. Una volta registrati, gli utensili impiegati nei processi produttivi non possono essere modificati facilmente. Naturalmente, se è possibile migliorare notevolmente la produttività vale assolutamente la pena di considerare dei cambiamenti non solo negli utensili, ma anche nei processi produttivi. Qualunque modifica a utensili e processi, tuttavia, deve aderire a procedure rigidamente determinate, essere rigorosamente monitorata e ottenere approvazioni. Per questo motivo, tutto deve essere pianificato con grande cura per prevenire ritardi costosi. Questo principio è vitale per la buona progettazione, prima della produzione di massa, di processi produttivi con elevata precisione e produttività".

Qual è la situazione attuale della produzione dei componenti per motori aerospaziali?

Okada: "Nel tentativo di estendere il raggio di volo, si è perseguito attivamente lo sviluppo di aeromobili di prossima generazione ad alte prestazioni ed elevata efficienza in termini di carburante. I motori installati in tali aeromobili richiedono materiali nuovi, più leggeri e resistenti a temperature più alte". 

Takahashi: "Pertanto, negli ultimi 10 anni i materiali compositi sono stati spesso impiegati nella realizzazione dei motori. Per ridurre le emissioni di CO2 e il costo di trasporto, è essenziale una migliore efficienza nei consumi di carburante. Per questa ragione l'adozione di CFRP e CMC, leggeri e robusti, è cresciuta nel tempo. Allo stesso tempo, i metalli convenzionali rimangono necessari, e lo sviluppo di leghe metalliche è stato incentivato per ottenere un aumento della resistenza meccanica. 

Qual è la relazione tra miglioramento dei materiali e sviluppo delle tecnologie di lavorazione?

Takahashi: "La riduzione del peso è molto efficace. Per esempio, con una riduzione del peso dei componenti rotanti si riduce di conseguenza il peso dei cuscinetti e dei componenti fissi. Riducendo il peso totale del motore si ottiene un significativo aumento dell'efficienza nell'uso dei carburanti, che incide fortemente sui costi operativi. Allo stesso tempo, ciò riduce anche l'impatto sull'ambiente. Tuttavia, aumentando la resistenza meccanica dei materiali la loro lavorazione diventa più difficile. L'espansione del settore richiede un'ulteriore sviluppo delle tecnologie di lavorazione. Di conseguenza, è molto importante avere sia utensili da taglio di alta qualità che tecnologie di lavorazione che riducano il peso dei componenti".

Ando:  "I componenti più recenti impiegati nella produzione aerospaziale sono realizzati con materiali estremamente costosi e resistenti al taglio. Pertanto, è importante progettare metodi di lavorazione che prevengano danni ai prodotti anche nel caso in cui gli utensili si rompessero durante la lavorazione. Oltre a realizzare prodotti di alta qualità riducendo i costi di produzione, che è la nostra missione principale, è quindi molto importante anche prevenire il più possibile qualsiasi danno ai prodotti lavorati". 

Okada: "Nel futuro i materiali continueranno a evolversi, e gli attuali metodi di lavorazione potrebbero non essere in grado di tagliarli. Anche mantenendo le attuali tecniche di lavorazione, allo stesso tempo i materiali saranno probabilmente lavorati utilizzando altri metodi, quali la lavorazione laser e l'elettroerosione. Di conseguenza gli utensili da taglio potrebbero diventare completamente diversi da come sono adesso".

Okada: "Permettetemi di esporvi un esempio recente. Avevamo bisogno di aumentare notevolmente la produttività dei dischi in risposta alla maggiore produzione di motori aerospaziali dovuta all'aumento della domanda. Tradizionalmente, applicavamo la brocciatura per la lavorazione della coda di rondine, l'articolazione utilizzata per installare la lama sul disco; tuttavia, la brocciatura è estremamente costosa e la produzione dell'utensile richiede un periodo di tempo relativamente lungo. Inoltre, è un metodo di lavorazione con bassi parametri di taglio, non consentendo così di aumentare in maniera significativa la produttività. Abbiamo quindi cercato un metodo di lavorazione completamente nuovo. Per prima cosa, abbiamo pensato di applicare la fresatura alla sgrossatura della coda di rondine:  sono passati due anni da quando abbiamo avviato questo sviluppo, e siamo quasi pronti a introdurre il metodo. Il vantaggio della fresatura è la costante stabilità degli utensili e la possibilità di migliorare agevolmente forme e materiali, il tutto aumentando considerevolmente la produttività rispetto alla brocciatura. Ci sono tuttavia anche alcuni svantaggi. In termini di volume di lavorazione, gli utensili per la brocciatura sono meno costosi di quelli usati per la fresatura. L'utilizzo della fresatura portava quindi il problema di dover ridurre il costo totale degli utensili, un obiettivo raggiungibile con un minor numero di utensili impiegati individuando il percorso di lavorazione più idoneo e massimizzando la vita utensile. Abbiamo affrontato diverse difficoltà nel passaggio dalla brocciatura alla fresatura, in parte per mancanza di esperienza, ma il nostro giovane staff ha lavorato con tenacia per superare ogni ostacolo. All'inizio, quando gli utensili si danneggiavano di frequente durante i test di lavorazione, pensavo che avremmo dovuto arrenderci. Il sostegno dello staff di Mitsubishi Materials ci ha invece aiutato a far progredire la progettazione dei metodi di lavorazione, tramite varie prove di lavorazione e valutando le performance di numerosi utensili. L'impegno e l'entusiasmo degli ingegneri di entrambe le aziende hanno portato al successo".

Diventare l'impianto n°1 a livello globale, utilizzando la migliore tecnologia di lavorazione al mondo

Lo sviluppo di motori eccellenti richiede il raggiungimento della più alta precisione, che consente la riduzione delle perdite di energia, e della maggiore leggerezza possibile.  Ciò porta inoltre un miglioramento delle prestazioni ambientali, facendo ridurre il consumo di carburante e le emissioni acustiche e di gas. La chiave per tale miglioramento è lo sviluppo di materiali più leggeri e altamente resistenti al calore, abbinato a tecnologie di lavorazione che tengano il passo di questo avanzamento. La missione del Soma N.2 Aero-Engine Works è di continuare a sviluppare nuovi prodotti sfruttando queste avanzate tecnologie. 

Al termine dell'intervista, Ryoji Takahashi, General Manager del Production Engeneering Department, ha affermato: "Esiste un particolare modello di business per lo sviluppo di motori aerospaziali commerciali, il cui rapporto investimento/vendite in IHI è cresciuto gradualmente. È un programma di sviluppo fondato sulla partnership internazionale, che richiede un enorme investimento in termini di tempo e denaro e si sviluppa grazie alla partnership tra le figure di primo piano in un vasto numero di settori. Per condividere il rischio, i costi di sviluppo di ogni partner sono proporzionali alla propria quota di investimento. Inoltre, i partner stabiliscono delle relazioni strategiche a lungo termine per ogni parte di cui si fanno carico, assumendosi la responsabilità di produzione, sviluppo tecnico, assistenza al prodotto e servizi post vendita (pezzi di ricambio, servizi di manutenzione del motore). La forza di IHI è nel know-how inerente la produzione integrata di un elevato numero di componenti dei motori aerospaziali, e nella capacità di esaminare con i propri partner i singoli punti di forza, come gli alberi motore, i componenti dei compressori e delle ventole ecc., per ampliare i servizi da offrire al mercato. Ampliando la gamma di componenti per questo settore in cui è specializzata, IHI è certa di poter competere con i concorrenti globali. Per riuscire a divenire il principale impianto al mondo, ci impegniamo costantemente nel raggiungere e mantenere un livello di prim'ordine nella manifattura, nella gestione qualità e nelle tecnologie di lavorazione per garantire i massimi livelli di capacità produttiva. 
Siamo entusiasti della possibilità di installare motori sviluppati da IHI all'interno di aeromobili commerciali completamente Made in Japan. Si tratta di un sogno comune tra chi di noi si è impegnato nello sviluppo e nella produzione di aeromobili in Giappone". Da Soma a tutto il mondo, continuiamo a lavorare sodo per migliorare le nostre tecnologie presso l'IHI Soma N.2 Aero-Engine Works.