Cómo la impresión 3D impulsa la innovación y la eficiencia en la industria aeroespacial

La industria aeroespacial es un entorno sumamente exigente. Requiere componentes impecables capaces de soportar desgaste continuo, así como condiciones de alta presión y temperatura. Existe una innovación constante e investigación para garantizar que las piezas sean resistentes, duraderas y ligeras, mejorando el rendimiento de las aeronaves, facilitando el mantenimiento y aumentando la productividad del personal. Esta calidad y fiabilidad indispensables deben equilibrarse con los horarios y la programación de vuelos comerciales, y la urgencia y disposición 24/7 que requieren los aviones militares. Si algo falla en la cadena de producción y logística, la disponibilidad, la calidad e incluso la seguridad de vuelos comerciales y militares pueden verse comprometidas.

La evolución de la fabricación aditiva en el sector aeroespacial

Aquí es donde entra en escena la fabricación aditiva. En las etapas iniciales de la impresión 3D, era un método de fabricación innovador pero bastante limitado. Las impresoras 3D requerían una inversión costosa, eran lentas y demasiado pequeñas para aplicaciones industriales a gran escala. Además, el mercado de materiales era muy limitado, especialmente para materiales de ingeniería técnica, y los fabricantes de impresoras a menudo solo permitían el uso de sus propios materiales (bloqueo de proveedor). Esos tiempos en la impresión 3D han quedado atrás.

Hoy en día, la fabricación aditiva es una industria plenamente desarrollada, con una excepcional flexibilidad de diseño y compatibilidad material-impresora, software especializado que permite diseño preciso e ingeniería inversa, una amplia gama de materiales altamente avanzados para los usos más especializados, impresoras 3D de gran formato con grandes volúmenes de construcción, y la capacidad de producir piezas ligeras que no tienen desventajas frente a sus homólogas mecanizadas por CNC.

Vídeo 1. Airbus emplea soluciones de fabricación aditiva en su línea de producción. Fuente: Airbus.

La industria aeroespacial busca piezas ligeras que rindan igual que los componentes de aluminio fabricados tradicionalmente. La reducción de peso (aligeramiento) permite que los aviones vuelen más rápido, más lejos y con menor consumo de combustible. Cada 500 kg de reducción de peso se traducen aproximadamente en un 1 % menos de consumo de combustible, lo que también significa una disminución de las emisiones de dióxido de carbono.

Las aportaciones de la fabricación aditiva en la industria aeroespacial

Cualquier idea de innovación en el sector aeroespacial debe pasar por un proceso de evaluación meticuloso para verificar si el nuevo material o tecnología cumple las numerosas y estrictas regulaciones de la FAA para la seguridad de vuelo y aeronaves, ya sea un avión comercial o militar. Muchas aeronaves obsoletas tienen componentes fabricados con materiales que luego resultaron tóxicos y deben sustituirse, o con materiales que ya no se fabrican y hay que recrear.

Las empresas de fabricación aditiva ofrecen una amplia gama de filamentos certificados por la FAA gracias a su gran resistencia a la tracción, y resistencia química y térmica sin efectos secundarios nocivos. Ejemplos de estos materiales son los filamentos de la familia PAEK, como el filamento Essentium PEI 9085 ULTEM, Essentium PEEK o Essentium PEKK. Estos filamentos pueden usarse en aplicaciones de vuelo. El filamento ULTEM PEI se utilizó para imprimir en 3D piezas para sistemas de iluminación, interruptores eléctricos, carcasas y portalámparas.

Imagen 1. Conducto de control ambiental usado en un vehículo de lanzamiento espacial. Impreso con filamento Essentium ULTEM 9085. Fuente: Essentium.

El filamento PEEK se ha empleado en la industria aeroespacial para sustituir piezas de motor de aluminio, cojinetes, válvulas, así como conductos ligeros para aislar y proteger cables ópticos y sistemas eléctricos dentro del avión.

Mantenimiento interno flexible e inmediato

El papel de la impresión 3D en la industria aeroespacial ha superado la fase de solo prototipado, aunque sigue usándose para ello. Dada la escala y el coste de la fabricación aeroespacial, los métodos tradicionales de prototipado mediante moldeo por inyección y mecanizado CNC consumen mucho tiempo y recursos. Imprimir en 3D un prototipo de un avión o sus piezas reduce significativamente el coste de producción y ajustes de prototipos, el desperdicio de material y los retrasos, y permite producir estructuras mucho más complejas que el CNC.

Imagen 2. Prototipo de avión impreso en 3D. Fuente: Essentium.

Además de la fabricación de componentes para satélites (antenas para naves espaciales), drones y aeronaves no tripuladas (palas de rotor y piezas de motor), las aplicaciones más comunes de la fabricación aditiva en el sector aeroespacial son la producción de piezas de tierra y componentes de vuelo no críticos ni estructurales.

Dado que los aviones son una inversión muy costosa, las unidades antiguas suelen permanecer en servicio mucho más tiempo del debido. La fabricación aditiva es la tecnología perfecta para pequeñas tareas de mantenimiento. Estas implican imprimir en 3D componentes no esenciales para el interior del avión que faltan o están dañados, como portavasos, bandejas, tapas de inodoros, conductos de aire, paneles de instrumentos, etc. Gracias a la FA, es posible recrear un elemento aunque falten los planos, mediante ingeniería inversa: escaneando la pieza, procesándola en software de diseño e imprimiéndola en 3D.

Imagen 3. Turbinas impresas en 3D. Fuente: Essentium.

Lo mismo ocurre con todo tipo de herramientas, utillajes y fijaciones. En este sentido, la innovación con impresión 3D es mucho más fácil de implementar porque el equipo de apoyo en tierra no está sujeto a un escrutinio tan riguroso por la FAA como las piezas aptas para vuelo. Incluso si la herramienta original ya no se fabrica, puede imprimirse en 3D a partir de planos o adaptando el diseño según el tornillo o elemento al que debe ajustarse. Con la fabricación sustractiva tradicional, este proceso sería mucho más costoso en tiempo y material. Para hacer herramientas, utillajes y fijaciones ligeros pero eficientes, pueden usarse materiales reforzados con fibra de carbono, fibra de vidrio o metal. Resultan en piezas hasta un 50 % más ligeras que el aluminio pero con excelente resistencia y resistencia a la temperatura. Algunos filamentos excelentes para este propósito serían el filamento Essentium HTN CF25, el filamento PA CF o el filamento ABS MG94. Además de resistencia, ligereza y durabilidad, otras características que un filamento orientado a la industria aeroespacial debería tener son retardancia a la llama y seguridad ESD. La planta de producción y las zonas de mantenimiento son espacios con temperaturas elevadas, materiales potencialmente explosivos y electricidad estática, una combinación muy peligrosa tanto para los equipos como para el personal. El filamento Essentium TPU 90A FR tiene propiedades retardantes de llama, lo que minimiza significativamente el riesgo de incendio y su propagación. Lo hace perfecto para herramientas, utillajes y fijaciones usadas en el hangar o alrededor del avión.

Imagen 4. Pieza de seguridad fabricada con Essentium TPU 58D-AS. Fuente: Essentium.

El Essentium TPU 58D-AS, por su parte, es un filamento diseñado especialmente para la industria aeroespacial, para la fabricación de piezas que deben retirarse antes del vuelo (de ahí su color rojo para llamar la atención). El TPU 58D-AS reduce el riesgo de descarga electrostática, un peligro para las personas y para los componentes electrónicos, cruciales para el correcto funcionamiento de los sistemas de navegación del avión, entre otras funciones.

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR retardante de llama Essentium TPU 58D-AS

Superando las limitaciones logísticas

Mantener los aviones en condiciones seguras, listas para volar y para la misión en las industrias aeroespaciales comercial y militar es extremadamente crucial, incluso más que la innovación constante. La fabricación aditiva tiene tantas aplicaciones en estos sectores precisamente porque permite a aerolíneas, empresas de mensajería y ejércitos tener más independencia y flexibilidad en el mantenimiento de sus aeronaves.

La pandemia de Covid-19 cambió el mundo de muchas maneras. La industria aeroespacial no fue una excepción, ya que muchas cadenas de suministro se detuvieron repentinamente por periodos imprevistos. Eso paralizó la producción, el mantenimiento y las operaciones de entrega debido a la dependencia de contratistas y empresas de transporte, consecuencia de un modelo de fabricación tradicional. Muchas aerolíneas comerciales sufrieron grandes pérdidas financieras por la cancelación de vuelos, lo que obligó a buscar nuevas formas de reducir costes. La fabricación aditiva puede ser la respuesta.

Con la fabricación tradicional, como el CNC, la producción de un componente seguro ESD, un componente resistente a la corrosión y un componente de alta temperatura requeriría muy probablemente los costosos servicios de tres contratistas diferentes, largos y variados tiempos de espera (también dependiendo del proveedor del contratista), y una entrega complicada o imposible en el caso de aviones militares destinados en el extranjero.

Imagen 5. Ejemplo de fabricación iterativa. Fuente: Essentium.

Otro problema es que herramientas únicas o piezas de repuesto de tiradas limitadas son omnipresentes en la industria aeroespacial. Recurrir al moldeo por inyección o mecanizado CNC para fabricar una herramienta única para un solo uso implicaría costes innecesarios y tiempos de espera innecesariamente largos. Todo eso puede resolverse con la impresión 3D, ya que una sola impresora 3D puede usarse in situ para producir todas esas piezas con diferentes filamentos técnicos avanzados a un coste mucho menor y con menor riesgo de retraso. Esta forma de fabricación también elimina la necesidad de almacenar piezas de repuesto en todo el mundo para realizar tareas de mantenimiento, ya que cualquier pieza necesaria puede imprimirse en 3D en cualquier lugar y momento bajo demanda. Todas esas pequeñas mejoras conducen a una simplificación y acortamiento general de la cadena de suministro y producción en la industria aeroespacial, lo que reduce costes y compensa la huella de carbono que dejan los aviones.

Ejemplos reales

Un gran ejemplo de la aplicación de tecnologías de fabricación aditiva en un contexto aeroespacial real es la empresa Axle Box. Desarrollaron una plataforma de drones para SkyFire, para sus clientes de silvicultura y protección contra incendios. Estos elementos debían soportar las condiciones de una operación aérea de lucha contra incendios a gran escala: fuego, agua y viento. Las piezas se produjeron al menor coste y con los plazos de entrega más rápidos en comparación con la competencia. Un cuerpo central de dron se imprimió en 3D con filamento Essentium HTN CF25 y las cubiertas laterales con filamento PA CF. Ambos materiales rindieron por encima de las expectativas en pruebas de vuelo, demostrando excelentes propiedades mecánicas y alta velocidad.

Vídeo 2. Pieza impresa en 3D para plataforma de aterrizaje de dron por Axle Box. Fuente: Essentium.

Un fallo muy común en aviones es la falla hidráulica, debida principalmente al peso de la aeronave y las tensiones que soporta durante el vuelo. El proceso de reparación de una falla hidráulica solía ser muy exigente en tiempo y mano de obra, porque requería varios técnicos para acceder al origen del fallo y luego sujetar la pieza de repuesto mientras se instalaba. Estas fallas hidráulicas ocurrían tan a menudo y eran tan costosas de reparar que un importante fabricante aeroespacial decidió imprimir en 3D un soporte que mantendría la pieza de repuesto en su lugar, sin necesidad de mano de obra adicional para asistir en el proceso.

La introducción de la fabricación aditiva en la industria aeroespacial ha sido un desarrollo revolucionario tanto para la FA como para el sector aeroespacial. Ha sido un desafío apasionante y transformador para el mundo de la impresión 3D debido al número de materiales especializados con propiedades avanzadas que requiere la industria aeroespacial. Y para la industria aeroespacial ha sido un gran paso hacia una mayor flexibilidad de diseño, reducción de costes e independencia logística, gracias a la impresionante velocidad, escala y posibilidades de iteración que ofrece la impresión 3D.