Fabricación aditiva de gran formato mejora la flexibilidad aeroespacial

Ascent Aerospace (Macomb Township, Míchigan, EE. UU.; Santa Ana, California, EE. UU.) se presenta como el mayor proveedor mundial de utillaje aeroespacial, proporcionando soluciones mayormente metálicas para moldes, ensamblaje y utillaje de recorte y taladro. El foco de su fabricación de moldes está en grandes aeroestructuras, como nacelas, alas, fuselajes, largueros, largueros y cuadernas. Sus utillajes de recorte y taladro se usan en mecanizado CNC, soldadura robótica, prensas automáticas, sistemas de inspección y aplicaciones de ensamblaje.

En 2018, la empresa comenzó a considerar añadir fabricación aditiva de gran formato a su cartera de Santa Ana y realizó una evaluación de sistemas, materiales y aplicaciones en el mercado. Reconociendo que necesitaba una máquina de gran formato que pudiera producir herramientas de un tamaño típico para Ascent, en 2019 la empresa invirtió en un sistema LSAM de Thermwood (Dale, Indiana, EE. UU.) – una célula de fabricación aditiva por extrusión dual-gantry/dual-función de 10 x 40 pies que incluye una impresora de gran formato en un extremo y capacidades de mecanizado CNC en el otro. El sistema se instaló en el segundo trimestre de 2020, justo cuando comenzó la pandemia.

Sean Henson, gerente global de producto, compuestos y fabricación aditiva en la ubicación de Santa Ana de Ascent, dice que aunque el momento no fue ideal, Ascent pudo poner el nuevo LSAM a trabajar inmediatamente y comenzó un esfuerzo de varios meses para entender las capacidades, ventajas y limitaciones de la AM de gran formato en un entorno de fabricación de herramientas.

La curva de aprendizaje y la pandemia a un lado, Ascent entregó más de 20 programas de utillaje a través del LSAM en el primer año de operación. La mayor parte de este trabajo se centró en producción de utillajes, herramientas de recorte al vacío, prototipos y moldes. Para utillajes de recorte, Ascent usó principalmente resina ABS de Techmer (Clinton, Tennessee, EE. UU.) reforzada con 20% en peso de fibra de carbono picada. Para aplicaciones de fabricación de moldes que requieren ciclos de alta temperatura, Ascent imprime con poliétersulfona (PESU) o poliéterimida (PEI), ambos reforzados con fibra de carbono picada. Ascent también ha, en algunas aplicaciones, impreso con policarbonato (PC) porque ofrece propiedades ligeramente mejores que ABS y es un mejor rendimiento a alta temperatura. Henson dice que alrededor del 75% de los productos hechos con el sistema LSAM son para uso a temperatura ambiente, con el resto destinado a ciclos de temperatura. De los moldes que ven temperatura, algunos son maestros de molde y diseñados para entornos <200 °F, mientras que otros están diseñados para curado en autoclave hasta 350-400 °F y 100 psi de presión.

Entonces, ¿cuál es la mayor ventaja de LSAM? Velocidad y coste, dice Henson. El tiempo de entrega para un molde hecho con LSAM es la mitad que para un molde metálico y los costes de material son menores también. "Así que la velocidad es enorme", dice Henson. "La razón por la que nos fuimos hacia la aditiva de gran formato fue las tasas de deposición de material y simplemente la cantidad que podemos construir porque nuestro utillaje es grande. Podemos construir cosas realmente grandes realmente rápido. Nuestras impresiones típicamente toman entre 8 y 15 horas. En ese tiempo, somos capaces de fabricar herramientas que pueden pesar hasta 1.000 o 1.500 libras de material. Así que estamos viendo una huella de 13 a 14 pies de largo y 5 pies de alto y la imprimimos en menos de un día."

Además, porque Ascent tiene una máquina dual-gantry/dual-función, puede imprimir y terminar moldes simultáneamente. "Tiene el dual gantry", señala Henson. "Así que tenemos la capacidad de imprimir en una mitad del sistema y mecanizar en la otra mitad, y podemos ejecutar esas operaciones independientemente así que podemos estar imprimiendo algo de 10 a 15 pies de largo y mecanizar algo en el otro lado de la mesa que es la misma longitud, y ejecutar esas operaciones simultáneamente." También, Henson señala que porque la impresión y el acabado están en la misma máquina, el "fresador sabe dónde la impresora depositó material", lo que acelera el proceso de mecanizado posterior. Para la aplicación correcta y el cliente correcto, dice Henson, la impresión 3D proporciona un producto terminado y usable más rápido de lo posible con cualquier material o proceso heredado.

¿Los inconvenientes? Hay un par, empezando por el aspecto de forma casi neta de la impresión 3D con un extrusor grande. "Todo lo que hacemos es una sobreconstrucción con post-mecanizado", señala Henson. "El trade-off que haces para depositar tanto material como el LSAM puede tan rápido como puede es la resolución de tus impresiones. Nuestras [perlas extruidas] miden más de tres cuartos de pulgada de ancho y cerca de un cuarto de pulgada de alto. Cuando miras una pieza impresa tal cual, puedes ver esos escalones, puedes sentirlos. Es una capa de puntos FDM, solo amplificada 100 veces. Y así para cualquier tipo de superficie lisa, ya sea un molde de temperatura o una herramienta de recorte o incluso solo un prototipo liso, hay algún componente de mecanizado involucrado para conseguir un acabado más fino, especialmente para aplicaciones aeroespaciales."

El segundo reto radica en el hecho de que un termoplástico reforzado con fibra de carbono no se comporta como Invar, aluminio o acero. La naturaleza anisotrópica de los materiales reforzados con fibra significa que su coeficiente de expansión térmica (CTE) altamente variable en un molde durante ciclos térmicos puede hacer difícil producir piezas terminadas que cumplan especificación dimensional. "Ese es el gran reto que tenemos en el lado del diseño y en el lado de la impresión", dice Henson. "Los clientes nos dan una forma final y luego necesitamos hacer un poco de trabajo de modelado para averiguar cómo debe verse la herramienta tanto desde un punto de vista estructural como de CTE." Henson dice que Ascent está aprendiendo a ajustar la variabilidad de CTE en sus diseños, basándose en ensayo-error, datos derivados de programas de impresión previos y retroalimentación de clientes para ayudar a refinar sus capacidades de diseño.

Henson dice que esta combinación coste/beneficio – CTE versus velocidad y coste – significa que sus capacidades LSAM deben desplegarse cuidadosamente, sopesando los requisitos de la aplicación contra la fecha límite de entrega. "Esta es una forma realmente buena de conseguir una herramienta en cuestión de semanas, en lugar de un par de meses", dice Henson. "Pero solo sé consciente de los trade-offs. Si esperas que reaccione como una herramienta de Invar, donde vas a conseguir una pieza perfecta, no lo hará. Pero para muchos clientes, y especialmente muchos clientes de I+D y desarrollo, es una forma realmente buena de conseguir una herramienta rápida."

Dicho esto, al menos uno de los moldes que Ascent imprimió de su LSAM ya está en uso para producción de un avión volador, con más seguramente por venir. Y la empresa vislumbra un día, no muy lejano, cuando agote su capacidad LSAM y necesite añadir más. La propiedad de la empresa, dice Henson, ve el potencial de la impresión 3D y apoya altamente su uso expandido.