Ansys y ATI FlyZero utilizan la ingeniería digital para diseñar aviones
Todos los grandes fabricantes de equipos originales (OEMS) de automoción han anunciado que serán totalmente eléctricos en unos pocos años, por lo que la atención se está centrando en la industria de la aviación para reducir drásticamente las emisiones de carbono. Aunque el sector de la aviación es mucho más difícil de descarbonizar, muchos líderes de la aviación están prometiendo alcanzar objetivos de emisiones netas de carbono cero para 20501, por lo que los OEM de la aviación se están esforzando por adoptar nuevas iniciativas y tecnologías para alcanzar estos objetivos de forma segura.
Al adoptar la transformación digital e integrar la simulación en los flujos de trabajo, los ingenieros pueden diseñar sistemas más limpios, rápidos e inteligentes que reduzcan las emisiones de carbono, el uso de materiales y la contaminación acústica. La ingeniería digital permite a los ingenieros integrar las mejores prácticas de sostenibilidad en todas las fases del ciclo de vida, incluida la fase de diseño conceptual.
Imagen: ATI FlyZero
Conceptos para cumplir objetivos
Para apoyar el objetivo de la industria de la aviación comercial de cumplir los objetivos de reducción de emisiones2, Aerospace Technology Institute (ATI) FlyZero trabajó con Ansys solutions para desarrollar tres conceptos de avión con cero emisiones de carbono en vuelo para su uso en 2030.
ATI FlyZero quería comparar el impacto en la sostenibilidad de tres aviones de referencia con los tres aviones conceptuales (Figura 1). Los aviones de referencia son aviones de queroseno con combustible de hidrocarburos que podrían estar en servicio en 2030. Los aviones conceptuales exploran nuevas tecnologías de propulsión, como la combustión de hidrógeno y las pilas de combustible de hidrógeno con cadena cinemática eléctrica.
- FlyZero midsize que utiliza combustión de hidrógeno frente al midsize de referencia, que es un avión similar al Airbus A330-200 con mejoras previstas para 2030.
- FlyZero narrow utiliza la combustión de hidrógeno para la propulsión, mientras que el sistema de alimentación a bordo se cambia a la tecnología de pila de combustible frente al narrow de referencia, que es un avión similar al Airbus A320-300 con mejoras previstas para 2030.
- FlyZero regional que utiliza pilas de combustible de hidrógeno para la propulsión y los sistemas de energía frente al regional de referencia, que es un avión similar al ATR42 con mejoras previstas para 2030.
Los aviones se dividieron en cinco módulos principales de diseño:
- Chasis
- Propulsión
- Sistemas eléctricos
- Sistemas eléctricos
- Cabina
Figura 1 Consumo de energía para materiales, fabricación, mantenimiento y reparación por módulo.
FlyZero utilizó la biblioteca de datos de materiales de Ansys Granta MI y Ansys Granta Selector para establecer los datos de referencia de los materiales y los procesos de fabricación. De este modo se compara la información técnica, de costes y de sostenibilidad -con el apoyo de una herramienta y una metodología de análisis del ciclo de vida (ACV) racionalizadas (Eco Audit en Granta)- y de herramientas para la selección de sustancias restringidas e impactos sociales. El paquete de software Ansys aborda la gestión de la información sobre materiales para obtener información técnica y de sostenibilidad, con integración en los procesos de diseño de ingeniería:
- Coordinación de la lista de materiales (BoM) mediante Granta MI
- Asignación de datos de referencia de MaterialUniverse
- Búsqueda de sustancias restringidas
- Cálculo del impacto medioambiental de cada línea de la lista de materiales
- Detección de impactos sociales
- Detección de puntos conflictivos en el ciclo de vida del producto
- Sustitución de materiales y opciones de fabricación para mejorar la sostenibilidad del producto (por ejemplo, riesgo, impacto medioambiental y social) por decisiones de diseño técnico.
- Informar a las partes interesadas
La figura 2 indica en qué punto del flujo de trabajo de desarrollo de productos puede intervenir el conjunto de herramientas de Ansys para evaluar la sostenibilidad y tomar decisiones de compensación.
Figura 2. Enfoque de Ansys para la aplicación del ecodiseño de herramientas y datos para agilizar el análisis del ciclo de vida (ACV) en las primeras fases de los procesos de diseño de ingeniería.
Determinar el impacto
El equipo FlyZero determinó que el material con mayor impacto ambiental era el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), utilizado para los fuselajes de todos los aviones. El CFRP puede sustituir al acero y al aluminio gracias a su elevada relación resistencia-peso, que mejora enormemente el ahorro de combustible: la densidad del CFRP puede ser la mitad de la del aluminio y cuatro veces menor que la del acero.
Sin embargo, los materiales y el proceso de fabricación del CFRP -y su escasa reciclabilidad- deben reevaluarse frente a las opciones de propulsión con menos emisiones de CO2. El carbono de origen biológico y la tecnología de reciclado pueden suponer una oportunidad para reducir el impacto ambiental, pero se enfrentan a otros retos, como la baja resistencia al fuego y la escasa solidez, y en la actualidad se encuentran todavía en la senda de la escalabilidad.
El cribado de sustancias restringidas también indicó que los plásticos -incluido el epoxi- contenían algunos de los mayores riesgos, seguidos de los materiales a base de níquel. En cuanto a los resultados sociales, la lista de elementos con mayor impacto se desviaba de las listas de sustancias y materiales señalados como riesgos para las listas de sustancias medioambientales y restringidas, y en su lugar identificaba elementos con volatilidad de precios debido a problemas geopolíticos de abastecimiento y/o escasez.
En la figura 3 se identifican las fases de alto nivel del proceso de diseño y se indica la integración de las herramientas y datos del software de materiales Ansys para permitir una rápida selección de materiales y fabricación con vistas a un diseño ecológico eficaz, con información sobre las opciones de fin de vida útil. La fase de diseño conceptual es un momento crítico en la vida de un producto, ya que es el momento en el que se deciden los materiales, la fabricación, el diseño de la fase de uso y el final de la vida útil, y se fija el 80% de los impactos y costes del ciclo de vida. Sin embargo, también es la fase de diseño con más opciones (materiales, procesos, geometría, etc.), aunque es la que dispone de menos información detallada debido a la confidencialidad de los proveedores o a la falta de mediciones primarias.
Figura 3. Modelo de impacto en la sostenibilidad esbozado por FlyZero indicando el alcance del ciclo de vida y las herramientas aplicadas.
Este trabajo informó al equipo FlyZero del impacto medioambiental de la aeronave cuantitativamente (potencial de calentamiento global, energía incorporada) y cualitativamente mediante la identificación de materiales peligrosos/restringidos, seguridad de suministro o abastecimiento poco ético, reciclabilidad, etc. Puede descargar el «Informe de sostenibilidad de ATI FlyZero» aquí. Los resultados de este trabajo servirán para tomar decisiones sobre futuros retos de investigación y desarrollo, como la necesidad de sustituir materiales o procesos de fabricación.
