La asombrosa evolución de la impresión 3D en la industria aeroespacial y de defensa

Es posible que aún no sean hardware crítico para el vuelo, pero las piezas impresas en 3D para aeronaves y naves espaciales comerciales y militares están facilitando la reducción del peso y los costos de materiales. Traducción:aquí hay un ROI para casos de uso muy específicos, y una ganancia funcional de los ahorros que se utilizan bien.

La fabricación aditiva tiene un futuro brillante. Pero, ¿qué tan brillante será para la industria aeroespacial y de defensa? Exploramos cómo las piezas impresas en 3D están teniendo un impacto en la actualidad y analizamos algunas de las limitaciones.

Hablamos con expertos en ingeniería de 3D Systems y 3DDirections para averiguar hacia dónde se dirige la fabricación aditiva y la impresión 3D en la industria aeroespacial y de defensa. Pero primero, veamos la evolución de la industria en esta vibrante vertical.

La historia de la impresión 3D y las piezas aditivas para la industria aeroespacial y de defensa

La industria aeroespacial y de defensa, especialmente el ejército de los EE. UU., fue uno de los primeros en adoptar piezas impresas en 3D, pero principalmente para pruebas y simulaciones porque las clasificaciones de fuego y toxicidad de los plásticos no estaban a la altura de los metales para el vuelo, tanto en el espacio como en otros lugares. las nubes.

Estas piezas de prueba se utilizaron principalmente en drones y satélites, explica Bryan Newbrite, ingeniero de aplicaciones de 3D Systems. Entre 2008 y 2013, se usaron plásticos fabricados con aditivos como Bluestone en pruebas para cosas como túneles de viento y piezas de conductos, pero también se usaron resinas cerámicas para simulaciones.

Estos casos de uso fueron buenos para imitar el flujo del viento. Estas partes nunca se usaron con humanos. Antes de esta era, a mediados de la década de 1990, se usaban algunas piezas 3D para vaciados rápidos.

Las cosas empezaron a cambiar entre 2007 y 2013.

“El mayor cambio en el sector aeroespacial fue en realidad el desarrollo de la sinterización selectiva por láser retardante de llama”, dice Newbrite. "Es una de las pocas cosas que comenzó a encontrar en uso en la aviación comercial... Básicamente, se tomó nylon 12 o nylon 11 y se le agregaron retardantes de llama para que pasara la prueba de llama".

Esto fue significativo porque significaba que el material podía retener algo de calor sin incendiarse y podía apagarse rápidamente sin emitir gases tóxicos.

Se utilizó por primera vez en satélites. ¿La razón principal? Retorno de la inversión.

“Cuesta $ 40,000 a $ 50,000 por kilogramo poner un satélite en geoestacionario”, dice Newbrite. "Entonces, si puede diseñar un soporte estructural o un miembro interno de un satélite y reducir unos cuantos kilogramos, entonces el costo agregado real de tener que construirlo con aditivos está más que solucionado".

Un momento crucial en la historia de la impresión 3D en la industria aeroespacial:la boquilla de combustible del motor LEAP de GE

Una de las piezas de aditivos más notables fabricadas para la aviación comercial fue una boquilla de combustible impresa en 3D por GE, para el motor LEAP. Es un brillante ejemplo de cómo los esfuerzos de investigación y desarrollo dan frutos y atraen mucha atención para la innovación.

“La forma en que GE tuvo éxito en este proyecto fue que solo tuvieron que usar la fuerza bruta para hacerlo realidad, lo que significó que construyeron miles y miles de estas boquillas para poder calificarlas como piezas viables que se pueden imprimir, ”, explica Chris Barrett, presidente y fundador de 3DDirections, consultor de fabricación aditiva y experto en ingeniería mecánica.

Barrett trabaja para Universal Technology Corporation como científico investigador y tiene un Ph.D. candidato en la Universidad Estatal de Youngstown en Ohio.

“La forma en que tenían que hacerlo antes era básicamente toneladas de capas de papel de aluminio de diferentes tipos aplastadas”, dice Barrett. “Y esa era la única forma en que podían obtener la complejidad que necesitaba. Para la versión 3D, usó el mismo enfoque en capas, pero imagínese haciéndolo manualmente”.

Según GE, las boquillas impresas en 3D son "cinco veces más duraderas que el modelo anterior" y el enfoque aditivo "permitió a los ingenieros usar un diseño más simple que redujo la cantidad de soldaduras fuertes y soldadas de 25 a solo cinco".

Un tema común de impresión 3D y fabricación aditiva:la reducción de piezas, pasos o peso

Tanto Barrett como Newbrite señalan que la mayoría de las piezas impresas en 3D para la industria aeroespacial y de defensa no son críticas para el vuelo en la actualidad. A pesar de la incursión de GE con boquillas de combustible, la producción de alto volumen es un problema.

“Con el tiempo, estoy seguro de que las tecnologías y los enfoques aditivos se pondrán al día”, dice Newbrite. “Pero en cuanto a costos, realmente no se ve mucho en este momento en producción. Los grandes aviones comerciales se han vuelto muy eficientes. Realmente, la mayoría de los casos de uso en este momento se centran en gran medida en militares, drones, aviones no tripulados y satélites, donde el peso realmente importa”.

Los métodos de fabricación tradicionales con máquinas CNC avanzadas y de precisión seguirán dominando la industria porque siguen siendo los más rentables.

“Por lo general, es de 10 a 100 veces el costo de lo tradicional”, dice Barrett. "Por lo tanto, debe mostrar una mejora de 10 a 100 veces como parte al final del día".

Sin embargo, hay algunas aplicaciones en uso hoy en día y muchas otras que están siendo evaluadas. Los grandes OEM comerciales y de defensa, incluidos Boeing, Airbus, Honeywell, GE y Lockheed Martin, están invirtiendo fuertemente en la investigación de fabricación aditiva.

Barrett señala otro proyecto de I+D de GE que intentó imprimir la mayoría de las piezas de un motor de avión (un turbopropulsor avanzado o ATP) y tuvo éxito utilizando superaleaciones de titanio.

“GE tomó un motor que se había fabricado con 855 piezas y lo redujo a unas 12”, dice Barrett. "Pudieron reducir el peso del motor en 100 libras y aumentar la eficiencia del combustible en un 20 por ciento".

Vea todos los componentes impresos en 3D del motor ATP de GE. Fuente:GE

La reducción de peso también permitió un aumento del 10 por ciento en la potencia con respecto a su predecesor. Está previsto que este motor entre en producción para el avión Cessna Denali de Textron Aviation.

 ¿Necesita una respuesta a una pregunta técnica? Pregunte al equipo técnico de metalurgia de MSC en el foro.

Impresión 3D para la industria aeroespacial y de defensa:MRO y repuestos 

Uno de los casos de uso más interesantes para la impresión 3D es la fabricación de repuestos para aeronaves heredadas, como las que se encuentran en los C-130 y B-52. Los aviones son más antiguos, pero todavía se usan para transportar carga y tropas, y sus piezas son cada vez más difíciles de reemplazar, explica Barrett.

¿El problema? Los aviones pueden permanecer en tierra durante períodos prolongados, a veces durante varios años debido a la falta de repuestos. Algunos de estos aviones datan de hace 50 años, y las empresas ya no fabrican piezas para ellos, o han cerrado. Las empresas dispuestas a fabricar repuestos pueden tardar años en completarlos.

“Cuando comenzamos a investigar esto, descubrimos que algunas de estas partes, debido a que se han sentado en el avión y han sido golpeadas durante tantas décadas, se han estirado y deformado como el avión se ha estirado y deformado”, dice Barrett. “Entonces, cada parte es un poco diferente, porque el giro de 90 grados en este momento ya no es de 90 grados, podría ser de 85 grados. Bueno, no puedo hacer un molde fundido que tenga en cuenta todas estas diferencias. Por lo tanto, es un caso perfecto para la impresión 3D".

Empresas como 3D Systems y otras pueden fabricar piezas personalizadas para cada plano llevando escáneres 3D a un plano, creando archivos digitales e imprimiendo cada pieza a la medida para adaptarse a la forma y geometría de esa pieza en su estado actual.

Vea MRO y piezas de repuesto que se fabrican para aviones militares heredados. Fuente:3D Systems

Este proyecto de repuestos heredado involucra a varias organizaciones públicas y privadas a través de una iniciativa llamada Maduración de la fabricación avanzada para el mantenimiento de bajo costo, o MAMLS, que está financiada por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.

Un fabricante que ha hecho avances con los aviones C-130 es Metro Aerospace, una empresa que se presentó en Better MRO en el International Manufacturing Technology Show de 2018. Metro Aerospace ha estado entregando piezas de microvanes a los militares. Los microvanes están hechos de un compuesto de polímero liviano, no corrosivo y duradero que incluye perlas de vidrio y nailon.

Lea todo sobre los desafíos y el éxito de producción de Metro Aerospace en el artículo “ Cómo llevar una pieza impresa en 3D al mercado aeroespacial .”

¿Está impresionado con un motor turbohélice impreso en 3D? Hable con sus compañeros en el foro de metalurgia. [es necesario registrarse]