Revolucionando el sector aeroespacial:componentes estructurales impresos en 3D

Sin duda, en los últimos años ha oído hablar mucho de la impresión 3D y la fabricación aditiva, generando la expectativa (en los medios) de que la fábrica "tradicional" pronto dejará de existir. Las conversaciones sobre nuevos métodos milagrosos, sobre la impresión directa de piezas de plástico, caucho y metal y sobre la impresión militar y orbital de piezas de repuesto presagian un nuevo amanecer.

Quizás.

Sin embargo, en un sector, el impacto es muy real e inmediato y al menos parte del revuelo no está totalmente fuera de lugar.

Con los rápidos avances que se están produciendo en la tecnología de impresión 3D, la industria aeroespacial se encuentra en la línea de inicio de un viaje revolucionario, especialmente en el campo de componentes estructurales de menor precisión y funciones más simples. La impresión 3D se ha convertido en una técnica revolucionaria para crear rápidamente piezas complejas y personalizadas, siempre y cuando no se trate de encontrar soluciones de bajo coste.

La impresión 3D se puede utilizar para fabricar componentes excepcionalmente livianos y duraderos con un diseño que de otro modo sería difícil de fabricar, maximizando el rendimiento y la eficiencia del combustible y al mismo tiempo cumpliendo con los estándares de seguridad más estrictos del sector. Para comprender todo el potencial de esta tecnología innovadora, resulta útil examinar los hechos fundamentales y las expectativas más avanzadas de la impresión 3D y cómo podrían aplicarse a los requisitos de fabricación aeroespacial.

En este artículo exploraremos las complejidades de la impresión 3D y cómo está transformando el futuro de la fabricación de componentes estructurales en el sector aeroespacial, proporcionándole una introducción para poder ampliar sus conocimientos desde un punto de partida seguro (y sin exageraciones).

¿Cuál es el propósito de la impresión 3D de componentes estructurales aeroespaciales?

El objetivo principal de la impresión 3D para componentes estructurales aeroespaciales es crear piezas de una manera que sea comercialmente viable y cumpla estrictamente con los estándares ambientales y de seguridad aplicables y las demandas de seguridad de las aeronaves. La producción rápida de piezas intrincadas y livianas y componentes hechos a medida que permitan ciclos rápidos de mantenimiento/desarrollo y mantengan el rendimiento tanto de aeronaves como de naves espaciales ayuda a ofrecer vuelos confiables, seguros y rentables. Geometrías intrincadas que son lentas o imposibles de producir con métodos convencionales ahora se pueden hacer rápidamente mediante la impresión 3D. La industria aeroespacial está iniciando un nuevo proceso de innovación, gracias a la impresión 3D.

¿Qué componentes estructurales aeroespaciales se pueden imprimir en 3D?

Los componentes estructurales aeroespaciales que se prestan a la fabricación aditiva incluyen:

1. Boquillas de combustible.
2. Palas de turbina.
3. Vehículos aéreos no tripulados.
4. Marcos de satélite.
5. Actuadores de superficie de control

¿Cómo funciona la impresión 3D de componentes estructurales aeroespaciales?

Los componentes estructurales y funcionales aeroespaciales se imprimen en 3D utilizando datos CAD (diseño asistido por computadora) procesados en objetos reales depositando y fusionando material, capa por capa para construir rápidamente piezas terminadas. La siguiente lista describe este proceso con más detalle:

1. Un modelo 3D diseñado en CAD sirve como base del proceso.
2. Para crear el componente, el software de configuración de construcción de la impresora 3D interpreta el diseño en una serie de cortes e instrucciones de parámetros de construcción que la impresora puede leer.
3. La impresora 3D coloca materiales (como metales o polímeros, en forma de filamento, líquido o polvo) en la plataforma de construcción, fusionándola consigo misma y con la capa inferior.
4. Capa tras capa, la altura aumenta hasta que se termina el componente.
5. La pieza se retira, se limpia y se procesa posteriormente. Esto puede ser manual o automatizado y puede implicar la eliminación de la estructura de soporte, la limpieza con chorro de arena o el acabado secundario.
6. Cuando se requiere una mayor precisión (como las caras de los rodamientos o los diámetros de los orificios), es posible que sea necesario realizar algún posmecanizado.

Además de construir rápidamente piezas con geometrías complejas, reducir el desperdicio de material y producir componentes livianos con un rendimiento mejorado, la impresión 3D ofrece al ingeniero más libertad de diseño que otros métodos de fabricación.

¿Cuáles son las ventajas de la impresión 3D en la industria aeroespacial?

Las ventajas típicas de la impresión 3D en la industria aeroespacial son:

1. La fabricación aditiva permite la consolidación de subconjuntos en componentes individuales que de otro modo serían imposibles de fabricar. La reducción del recuento de piezas también reduce el riesgo de FOD o restos de objetos extraños.
2. Las tecnologías aditivas permiten la creación de complejidad en diseños que de otro modo no sería factible, con métodos menos avanzados. La impresión 3D no necesita ajustarse a características de línea de visión como lo requiere el mecanizado.
3. La naturaleza de la impresión 3D permite cambios de diseño de iteración rápida sin requerir ningún cambio en el equipo de fabricación aparte de los modelos en la cortadora 3D.
4. Estos procesos equipan a los diseñadores y fabricantes con una producción rápida bajo demanda en cualquier parte del mundo donde haya equipos, lo que reduce el tiempo de comercialización y los costos de la cadena de suministro y reduce la complejidad de la infraestructura en el campo.
5. Mediante la aplicación estratégica y cautelosa de procesos de producción aditivos, la cadena de suministro se vuelve más ágil, confiable y consistente.

¿Cuáles son las desventajas de la impresión 3D en la industria aeroespacial?

Las desventajas de la impresión 3D en la industria aeroespacial incluyen:

1. Dependiendo de la tecnología utilizada y del nivel de precisión requerido de la pieza en su función, algunas de estas piezas requieren un posprocesamiento adicional. Esta fase implica tareas adicionales que van desde el mecanizado de precisión hasta el pulido y el recubrimiento para refinar los componentes impresos en 3D para necesidades específicas. El posprocesamiento normalmente requiere mano de obra delicada y calificada y, por lo tanto, aumenta el tiempo y los costos de producción. Esto puede ser proporcional al coste de la pieza impresa, lo que resta valor a los indudables beneficios de una fabricación optimizada.
2. La extraordinaria variedad de componentes que pueden derivarse de la impresión 3D se ve limitada, en muchos casos, por la falta de calidades de materiales seleccionables con precisión. Las regulaciones específicas de la aviación requieren materiales especializados y estrictamente especificados. En consecuencia, el sector de la ingeniería aeroespacial está limitado por la cantidad de opciones de materiales, lo que restringe la capacidad de la tecnología para crear una gama más amplia de elementos aeronáuticos durante esta fase de innovación/transición.
3. Si bien aumenta la eficiencia de la productividad, la producción basada en la impresión 3D puede reducir en gran medida la eficiencia de costos. Cuando los costos de los componentes superan los costos del cronograma, no puede servir. Sin embargo, como método para la creación extremadamente rápida de piezas complejas que no son sensibles a los costes, tiene un lugar cada vez más importante.

¿Cuáles son ejemplos de aplicaciones de componentes estructurales aeroespaciales impresos en 3D?

Se han explorado diversas aplicaciones de componentes estructurales impresos en 3D en la industria aeroespacial, con una aceptación en vuelo aún limitada. Soportes de alas, componentes de actuadores para aviones, palas de rotor de drones, boquillas de combustible, cámaras de combustión e incluso partes de la estructura interna del motor son algunos ejemplos de componentes arrastrados y bien recibidos. Estos usos resaltan la notable adaptabilidad y potencial de este método de fabricación en su potencial para impactar el sector. Está claro que la impresión 3D está a punto de remodelar los procesos de fabricación del sector con sus infinitas posibilidades.

¿Cuáles son los materiales utilizados en la impresión 3D de componentes estructurales aeroespaciales?

Algunos de los materiales utilizados en la impresión 3D de componentes estructurales aeroespaciales incluyen:

1. Aleaciones de titanio

El titanio es un material de alto rendimiento ideal para el sector aeroespacial, donde su alto costo no es prohibitivo y su relación resistencia-peso y su excepcional rendimiento contra la corrosión son abrumadoramente beneficiosos. Además, los procesos de fabricación utilizados para la producción de piezas de titanio son restringidos y las dificultades de producción son considerables. La fabricación aditiva evita la mayoría de estos problemas de fabricación y ofrece piezas de alto rendimiento que ofrecen una resistencia de la cadena de suministro y dificultades logísticas enormemente menores. 

2. Aleaciones de aluminio

El aluminio no es de ninguna manera una mala segunda opción después del titanio, ya que ofrece casi la misma relación resistencia-peso y una materia prima y un costo de procesamiento (tradicional) considerablemente menores. Una cadena de suministro considerablemente más sencilla para los materiales de fabricación aditiva significa que hay más opciones para elegir y las energías de construcción son menores, lo que permite el uso de equipos de menor potencia o en operaciones de construcción más rápidas. El aluminio generalmente ofrece buenas propiedades de corrosión para aplicaciones aeroespaciales y esto se puede mejorar considerablemente anodizando, formando una película de óxido controlada y precisa en las piezas que excluye el oxígeno, incluso cuando están mojadas.

3. Aleaciones de níquel

Las aleaciones de níquel ofrecen un rendimiento extremo a altas temperaturas, así como una excelente resistencia a la corrosión. Las piezas de aleación de níquel impresas en 3D han despertado mucho interés en el sector aeroespacial, especialmente para uso experimental en álabes de turbinas, aplicaciones reales en vuelo en cámaras de combustión y piezas de escape de turbinas de gas, así como componentes de motores de cohetes en uso en caliente. Las superaleaciones de níquel desempeñan un papel crucial en la mejora de la eficiencia general y la confiabilidad de los sistemas críticos.

4. Acero inoxidable

Los aceros inoxidables de varios grados se utilizan ampliamente en la fabricación aditiva en diversos sectores no aeroespaciales, aportando solidez y resistencia a la corrosión excepcional a herramientas, equipos industriales y más. Las piezas impresas en 3D de acero inoxidable pueden ofrecer componentes estructurales y funcionales robustos y duraderos para aplicaciones de alta tensión en el sector aeroespacial. Las piezas que sustentan el funcionamiento exitoso del aire y las naves espaciales en los trenes de aterrizaje, incluidos los puntales y las estructuras de soporte, están hechas de esta familia de aleaciones y deben cumplir con las asombrosas exigencias del aterrizaje. La combinación distintiva de resistencia a la corrosión, solidez y durabilidad distingue al acero inoxidable y lo convierte en una opción ideal para los componentes críticos en cuanto a resistencia (en lugar de peso) en el sector. A pesar de la mayor resistencia del acero inoxidable, el aluminio exhibe una relación resistencia-peso significativamente superior, pero una menor resiliencia bajo cargas cíclicas.

5. Polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP)

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se están adoptando rápidamente como buenas opciones de materiales en muchas aplicaciones que necesitan poco peso y alta resistencia. CFRP combina el bajo peso de los polímeros con la resistencia de los metales. Desempeñan un papel cada vez más fundamental en la industria aeroespacial, al mejorar la eficiencia del combustible, reducir las emisiones y mejorar el rendimiento general/la capacidad de elevación de aviones y naves espaciales y mejorar la resistencia a los impactos. Los CFRP pueden reducir el peso de un avión hasta en un 20%. La impresión 3D de estructuras sándwich con varias formas de núcleo, utilizando fibras de carbono continuas, se puede aplicar a una variedad de elementos estructurales en el sector aeroespacial, al igual que otros sectores de alto valor. Los aviones modernos suelen utilizar estructuras sándwich de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) para sus elevadores, timones y palas de dirección como superficies de control de vuelo.

6. Polímeros de alto rendimiento

Los polímeros de alto rendimiento, como PEI (ULTEM), PEEK, PEKK y PPSU, exhiben propiedades mecánicas notables y resistencia a altas temperaturas en comparación con muchos polímeros estándar comúnmente utilizados en aplicaciones de ingeniería. Los polímeros como el nailon, el ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) o el polietileno son considerablemente más frágiles bajo carga y calor. La combinación de fibras de carbono discontinuas con el polímero de alto rendimiento PEKK ofrece un material compuesto con propiedades muy mejoradas. 

7. Compuestos cerámicos

Los compuestos cerámicos están cada vez más disponibles para procesos de fabricación aditiva, pero su adopción es lenta debido a una base de conocimientos restringida, fuera de los campos especializados. Sus ventajas son considerables:gran tenacidad, dureza y resistencia excepcional a temperaturas elevadas, lo que los hace ideales para aplicaciones aeroespaciales extremadamente exigentes. Las piezas cerámicas impresas mediante fabricación aditiva tienen un gran potencial para el sector aeroespacial, ya que ofrecen un peso ligero, una gran resistencia y una gran resiliencia medioambiental, pero las certificaciones de seguridad necesariamente restrictivas requieren mucho tiempo y aún no se han conseguido. Aunque técnicas como IJP y 3DP producen materiales porosos, existen pocos tratamientos de superficie y selladores adecuados. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Qué es la cerámica.

8. Invar®

Invar es una aleación inusual de níquel y hierro conocida por su coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo. Esto lo hace ideal para aplicaciones que requieren estabilidad dimensional en condiciones de temperatura muy variables, propiedad que se traslada a la fabricación aditiva. Esta propiedad única lo hace invaluable en diversas industrias, incluida la ingeniería aeroespacial. El uso innovador de Invar en la impresión 3D es un enfoque pionero que aún se encuentra en etapas experimentales, con la promesa de ofrecer capacidades mejoradas en términos de control dimensional y estabilidad.

9. tantalio

En el sector aeroespacial, el tantalio se utiliza en piezas críticas que están sujetas a operaciones tanto de alta temperatura como de alto estrés. La resistencia a la corrosión en caliente del tantalio es particularmente ventajosa en aplicaciones aeroespaciales, donde la exposición a los gases de escape, la humedad caliente y las temperaturas que varían rápidamente es común en las turbinas de gas. El tantalio, junto con otros metales refractarios, es extraordinariamente difícil de procesar por medios tradicionales, pero la fabricación aditiva evita estos desafíos. Las aplicaciones específicas incluyen:palas de turbina, segmentos de boquilla para propulsión de satélites y componentes para vuelos hipersónicos.

10. Aleaciones de cobalto-cromo

Las aleaciones de cobalto-cromo se utilizan por su buena combinación de propiedades:alta resistencia, resistencia al desgaste y biocompatibilidad. Se encuentran cada vez más en aplicaciones aeroespaciales, particularmente en componentes de motores de turbinas de gas, debido a su capacidad para soportar altas temperaturas y tensiones mecánicas que varían rápidamente. Las aleaciones de cobalto-cromo sirven en contextos aeroespaciales para componentes de motores, piezas estructurales de aviones, componentes de motores de cohetes y escudos térmicos. Para obtener más información, consulta nuestra guía sobre superaleaciones.

¿Los componentes estructurales aeroespaciales impresos en 3D deben cumplir algún estándar regulatorio?

Sí. Antes de entrar en servicio en aeronaves, los componentes estructurales aeroespaciales impresos en 3D deben contar con la aprobación de la FAA o EASA, después de rigurosas pruebas. El sector necesariamente otorga una alta prioridad a la confiabilidad y la seguridad para la preservación de la vida (y de los equipos), por lo que estos componentes deben pasar por estrictos procedimientos de prueba y validación. Los organismos reguladores como la Administración Federal de Aviación (FAA) y la Agencia de Seguridad Aérea de la Unión Europea (EASA) aplican controles estrictos. Estos estándares garantizan la operación segura y confiable de las aeronaves.

¿Cuál es el futuro de la impresión 3D de componentes estructurales en el sector aeroespacial?

El uso de la fabricación aditiva en la industria aeroespacial está en una senda de crecimiento. Los fabricantes aeroespaciales están cambiando gradualmente algunos componentes de soporte de carga y de áreas calientes de la fundición tradicional a la impresión 3D, a pesar de las actuales implicaciones de precios en este suministro incipiente y de alto costo. El crecimiento de la penetración y la demanda de tecnología de fabricación aditiva continúa desarrollándose en el sector. Se prevé que el uso de la impresión 3D en el sector aeroespacial aumentará durante el próximo período como resultado de los avances en la tecnología de impresión que están mejorando el rendimiento y bajando los precios. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Cómo funciona una impresora 3D.

¿En qué se diferencia la impresión 3D de piezas estructurales aeroespaciales de la fabricación tradicional?

El proceso y los materiales utilizados en la impresión 3D de componentes estructurales para el sector aeroespacial están muy lejos de los utilizados en la fabricación tradicional. La impresión 3D utiliza técnicas aditivas para construir piezas capa por capa a partir de un modelo digital, a diferencia de procesos sustractivos como el mecanizado o procesos de una sola pieza como la fundición. Esto hace posible geometrías complejas, residuos muy reducidos y ciclos ágiles de desarrollo y prueba en el diseño. Numerosos materiales tienen el potencial de imprimirse en 3D como alternativa a los procedimientos de mecanizado, moldeado o fundición.

Kat de Naoum

Kat de Naoum es una escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con más de 20 años de experiencia en escritura. Kat tiene experiencia escribiendo para una variedad de organizaciones técnicas y de fabricación y ama el mundo de la ingeniería. Además de escribir, Kat fue asistente legal durante casi 10 años, siete de los cuales estuvieron en finanzas navales. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como en línea. Kat tiene una licenciatura en literatura y filosofía inglesas y una maestría en escritura creativa de la Universidad de Kingston.

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