3D v letectví pro rychlost i lehkost

Jde o první turbovrtulový motor zcela nového designu v segmentu všeobecné a obchodní letecké přepravy (BGA) po více než 30 letech. Jeho testování je jedním z kroků naplňování investiční smlouvy s vládou ČR o vybudování nové centrály pro turbovrtulové motory v České republice, v níž se odehraje vývoj, testování a výroba. Další významnou skutečností je i fakt, že do testování nového motoru se zapojili i pedagogové a studenti Fakulty strojní ČVUT prostřednictvím svého Centra pokročilého leteckého a kosmického výzkumu.

Certifikační zkoušky motoru GE Catalyst začínají v letošním roce. Proces certifikace má skončit do roku 2020. Jde o dostatečně dlouhou dobu, během níž budou o motoru shromážděny a důkladně vyhodnoceny všechny důležité poznatky. S novými motory se počítá pro zcela nový letoun Cessna Denali firmy Textron Aviation.

Motor GE Catalyst je bezesporu zajímavý z mnoha stránek. Nicméně výjimečný je zejména jednou věcí – při jeho výrobě jsou využity součásti, které vznikají pomocí 3D tisku.

Milan Šlapák, programový ředitel GE Aviation pro ČR, vysvětluje: „3D tisk dává designérům svobodu navrhovat takové tvary dílů, které umožňují nahradit komplikované sestavy a podsestavy jediným dílem. V motoru GE Catalyst se nám, díky tomuto postupu, podařilo redukovat počet 855 dílů na pouhých 12."

Aditivní technologie podle něj přinášejí tři hlavní revoluční změny. První z nich je zjednodušení produktu, přičemž sestavy a podsestavy jsou nahrazovány jednotlivými díly. Tím dochází mimo jiné k obrovskému zjednodušení dodavatelského řetězce a současně ke zvýšení kvality a spolehlivosti motoru. Druhou z nich je snížení jeho váhy, protože se eliminuje spojovací materiál a je též možnost vytvořit tenčí stěny než při použití konvenční technologie, jakou je například běžně používané odlévání. Přitom v leteckém průmyslu je na váze letadla přímo závislá spotřeba paliva.

A konečně třetí změnou je snížení potřebné doby pro vývoj z měsíců na týdny. Je to proto, že například forma pro odlitek nebo výkovek se ladí až devět měsíců, zatímco díl vytvořený pomocí 3D tisku je k dispozici do čtyř týdnů od dokončení jeho designu. Pokud se podíváme do budoucnosti, vidíme i čtvrtou výhodu: možnost servisní podpory produktu, který je již nyní ve výrobě, protože jednotlivý díl lze kdykoli dle potřeby „dotisknout“.

Naši redakci zajímalo, jak to vypadá na místě, kde se nový motor vyvíjí. Vypravili jsme se proto do výrobního areálu v Letňanech. Těšili jsme se, že budeme mít možnost vidět přímo 3D tiskárny, nejlépe ve chvíli, kdy v nich právě vzniká některý z dílů motoru GE Catalyst. Nic takového jsme však bohužel neviděli a ani vidět nemohli. GE Aviation má totiž pobočky v mnoha státech a, jak nám vysvětlil zdejší šéf výroby Radek Hluchý, díly pro jejichž výrobu je využíván 3D tisk, vznikají ve Spojených státech a do Prahy putují už hotové, aby zde byly do motoru namontovány. Naše zklamání ale zase nebylo příliš velké, protože jsme ve zdejší speciální klimatizované montážní hale, sloužící nyní vývoji a později též k sériové montáži nového motoru, mohli vidět jeho fragment, na němž již byly tyto díly aplikovány. Šlo konkrétně o vstupní skříň motoru, která byla celá vyrobena pomocí 3D tisku, a též všechny vnitřní kanály.

To samozřejmě nijak nesnižuje „výrobní“ zásluhy pražského týmu. Zde je, podle slov Radka Hluchého, přímo vyráběno patnáct dílů, z nichž je sestaveno „srdce motoru“, jeho rotorová část. Ostatní díly pocházejí doslova z celého světa.

„Pro tyto díly jsme zde dříve neměli kompletní technologii,“ vzpomíná Radek Hluchý. „Naše společnost proto investovala do nových strojů, které jsou schopné zaručit přesnost a dodržet dokonalou čistotu procesu. Nyní zde máme k dispozici čisticí linky a vysokorychlostní brusku od firmy Danobat. Letos v květnu přijde druhá bruska, přičemž tato je vertikální a druhá bude horizontální. Pak zde máme EDM – hloubičku – což je náš nový stroj pro elekroerozivní obrábění. Zbytek procesu výroby motoru se již realizuje prostřednictvím standardních strojů, které jsme zde měli již dříve.“

Jak tedy vypadá celý proces výroby motoru? Pokud jde o díly, které vznikají zde, je nakoupen výkovek. Ten projde přes vstupní kontrolu, je zaplánován do výroby. Poté jej čekají obráběcí procesy či různé speciální úpravy. Poté je díl připraven pro montáž do motoru, kde se setká s dalšími díly, vyrobenými v jiných zemích, včetně těch, které vznikly pomocí aditivních technologií.

V klimatizované montážní hale se provádějí všechny tzv. „čisté procesy“, zatímco činnosti, jako jsou úpravy dílů, soustružení, frézování a podobně se provádějí ve výrobních halách. Zde můžeme najít celkem čtyři pracoviště, kde se motory z dílů kompletně sestavují. V zadní části místnosti najdeme též vyvažovací stroje, jejichž použití je také součástí montáže. Nakonec se zde také kontroluje, zda celý motor a všechny jeho části fungují, jak mají. Nicméně pak putuje na mnohé další testy – třeba na ty, které provádějí lidé z ČVUT.

Motor, který opustí výrobu, však rozhodně není konečnou verzí. V rámci vývoje se každý kus testuje a na každém dalším se pak realizují změny, které v rámci testování předchozího byly doporučeny jako zlepšení. Design i parametry funkcí motoru se neustále vylepšují. Než bude moci být zahájena sériová výroba, do níž bude zařazen až ve chvíli, kdy bude opravdu perfektní, vznikne ještě celá řada prototypů. Do konce roku 2019 by však měl být první motor připraven na pozemní zkoušku.

Když už jsme byli v prostorách GE Aviation, nedalo nám to, abychom se nepodívali i na stroje, na nichž vznikají další zdejší motory.

„Nemalou hodnotu pro nás má tahle vysokorychlostní bruska od firmy Danobat,“ dostalo se nám výkladu od Radka Hluchého. „Ta bude používána na broušení kompresorů – i pro GE Catalyst a také pro výrobu jeho generátorové turbíny. Tento stroj dokáže zajistit kolem 3500 otáček za minutu, takže může simulovat prostředí motoru. To je důležité například pro broušení křivky lopatek. Používají se zde brusné kotouče o průměru 610 mm, otáčejí se rychlostí 33–60 metrů za vteřinu a přesnost stroje je 25 tisícin milimetru. Tento stroj dostane v květnu sestru – vertikální brusku, která bude používaná pro statorové díly, které obrousí přímo na potřebném místě.“

Kromě GE Catalyst se ve zdejších halách vyrábějí všechny motory doslova od A do Z, zejména v současné době motor H80.

Vedle vidíme pracovníka, který ručně brousí pro jiný motor lopatky, vyrobené z odlitku. „Součástí tohoto motoru je podobná vstupní skříň, jaká je součástí GE Catalyst,“ vysvětluje Radek Hluchý. „Je vyrobena z hliníkových slitin a odlitek je následně obráběn a doleštěn. Na motoru GE Catalyst je však právě tato část vytvořena pomocí 3D modelování.“

Nový motor Advanced Turboprop (ATP), dnes s názvem GE Catalyst, o výkonu 1 240 koní na hřídeli patří do rodiny turbovrtulových motorů v rozmezí výkonu od 1 000 do 1 600 koní, určených pro trh BGA. Za použití 79 nových technologií nabízí tento motor celou škálu vyspělých postupů, nesrovnatelně větší výkon a nebývalou efektivitu.

Motor dosahuje bezkonkurenčního poměru stlačení kompresorem 16:1, který mu umožňuje dosáhnout o 20 procent nižší spotřeby paliva a o 10 procent vyšší výkon při cestovní rychlosti, a to ve srovnání s konkurencí v téže velikostní třídě. Se čtyřmi tisíci letovými hodinami nabízí o 33 procent delší časový interval mezi generálními opravami, než jakého jsou schopni dosáhnout jeho největší konkurenti.

Jde o první turbovrtulový motor ve své třídě, který má dva stupně s variabilními statorovými lopatkami a vysokotlakým chlazením turbínových lopatek. Zúročuje postupy, osvědčené při provozu velkých komerčních motorů a zkušenosti nabyté během více než 1,3 miliardy nalétaných hodin. S využitím moderní 3D-aerodynamiky, zdokonalených materiálů a metody chlazení turbín mohou tyto motory nabídnout výrazně vyšší efektivitu provozu, větší výkon a delší životnost než ostatní motory v této kategorii.

Hana Janišová

hana.janisova@mmspektrum.com