Revolucionando el sector aeroespacial:materiales, procesos y clasificaciones avanzados de impresión 3D

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es muy valorada en la industria aeroespacial. En una industria donde las reducciones de peso o resistencia pueden generar enormes ahorros de costos, la impresión 3D ha permitido a los fabricantes aeroespaciales crear aviones más livianos y con menor consumo de combustible de una manera más rentable. La industria aeroespacial fue una de las primeras en adoptar ampliamente la impresión 3D en la fabricación de componentes clave, y el proceso ha redefinido los límites del diseño y la fabricación. Los ingenieros aeroespaciales han desempeñado un papel decisivo en el desarrollo de ciertos procesos de impresión 3D, y la industria continúa cosechando los beneficios hoy en día a medida que la impresión 3D madura como proceso de fabricación.

Desde plantillas y prototipos de herramientas hasta piezas de uso final como boquillas e incluso cuerpos de cohetes, la impresión 3D en el sector aeroespacial se puede utilizar tanto para ayudar en el proceso de fabricación como para satisfacer aplicaciones particulares dentro de una aeronave. Este artículo analizará la impresión 3D en el sector aeroespacial, los materiales y procesos utilizados y sus diferentes aplicaciones.

¿Qué es la impresión 3D?

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es un proceso de fabricación que crea piezas capa por capa hasta completar toda la pieza tridimensional. Es lo opuesto a los procesos de fabricación sustractiva como el mecanizado CNC (control numérico por computadora), donde se elimina el material de una pieza de trabajo para crear piezas. La impresión 3D se puede utilizar para fabricar baratijas, herramientas simples y componentes avanzados utilizados en varias industrias, como la aeroespacial, automotriz, médica, de maquinaria y más. Si bien la tecnología de impresión 3D existe desde la década de 1980, su uso se ha disparado desde principios del siglo XXI a medida que la fabricación aditiva se ha convertido en una buena alternativa para producir piezas que requieren varios procesos para su fabricación.

¿Cuándo empezó la industria aeroespacial a utilizar la impresión 3D?

La industria aeroespacial fue una de las primeras industrias en implementar la impresión 3D en la década de 1990. Desde los inicios de la tecnología de impresión 3D en la década de 1980, la industria aeroespacial ha sido uno de los mayores contribuyentes al desarrollo de los procesos y la tecnología de impresión 3D. Hoy en día, la industria sigue siendo uno de los mayores beneficiarios del proceso y representa casi el 15%-20% de los ingresos totales generados por la industria de fabricación aditiva (dependiendo de la fuente y las fluctuaciones del mercado).

¿Cómo empezó la impresión 3D en la industria aeroespacial?

El origen de la impresión 3D en la industria aeroespacial se remonta a finales de los años 80. En ese momento, los mayores beneficiarios de la impresión 3D fueron el ejército estadounidense y la industria de defensa. Estos sectores utilizan ampliamente los plásticos como una alternativa más barata a los metales para realizar pruebas y simulaciones de diversos sistemas y componentes de aeronaves.

La impresión 3D se utilizó principalmente para la creación de prototipos y pruebas en la industria aeroespacial hasta mediados de la década de 2000, cuando fue posible imprimir en 3D plásticos retardantes de llama mediante procesos como la sinterización selectiva por láser (SLS) y el modelado por deposición fundida (FDM). A medida que continuaron los avances en la impresión 3D durante las dos primeras décadas del siglo XXI, se expandió su uso en aplicaciones aeroespaciales. Ahora se utiliza para aplicaciones durante todo el ciclo de vida de los componentes aeroespaciales, incluida la creación de prototipos y la validación de diseños, herramientas, plantillas para el mantenimiento de aeronaves, piezas de uso final en motores a reacción e interiores de aeronaves.

¿Qué tipos de materiales se utilizan en la impresión 3D para aplicaciones aeroespaciales?

En las aplicaciones de la industria aeroespacial se utilizan varios materiales diferentes. Los materiales comunes utilizados se enumeran y describen a continuación:

1. Cerámica

Las cerámicas son materiales inorgánicos, no metálicos. Son excelentes para aplicaciones aeroespaciales debido a su resistencia a la corrosión, peso ligero, resistencia a altas temperaturas y resistencia al desgaste. Sin embargo, la cerámica es excepcionalmente dura y quebradiza, lo que dificulta su fabricación en piezas. El caolín y la arcilla de porcelana son dos ejemplos de cerámicas que se pueden imprimir en 3D para fabricar piezas. La impresión cerámica 3D se puede utilizar para fabricar componentes de espejos satelitales hechos de carburo de silicio, con el objetivo de reducir el peso y mejorar la relación rigidez-resistencia.

2. Fibra de Carbono

Las fibras de carbono son hebras de átomos de carbono largas, excepcionalmente delgadas pero fuertes. Los compuestos de fibra de carbono son ideales para aplicaciones aeroespaciales ya que son tan fuertes como el acero pero más livianos que el aluminio. Esto permite a los fabricantes mejorar el rendimiento de las aeronaves mediante la integración de piezas de fibra de carbono impresas en 3D en los marcos y estructuras de las aeronaves. Sin embargo, la fibra de carbono es cara y difícil de producir, lo que limita las posibles aplicaciones que puede tener en la industria aeroespacial.

3. Metal

Los metales son materiales naturales o aleados que son excelentes conductores de calor y electricidad en comparación con otros materiales. Los metales aeroespaciales comunes como el aluminio, el titanio y las superaleaciones a base de níquel se utilizan ampliamente debido a su resistencia a la corrosión y sus altas relaciones resistencia-peso. Los metales impresos en 3D se utilizan en componentes de motores, bastidores, estructuras y equipos electrónicos. Una desventaja importante de los metales es que son relativamente densos y el uso excesivo de metales en una aeronave puede afectar negativamente el rendimiento de la aeronave y la eficiencia del combustible.

4. Polímeros

Los polímeros son materiales compuestos por cadenas repetidas de moléculas. Los ejemplos comunes de polímeros en el sector aeroespacial incluyen termoplásticos sintéticos como nailon, PEEK y ULTEM 9085 (una forma de polieterimida). Estos materiales se pueden utilizar para imprimir en 3D componentes interiores como respaldos de asientos, paneles de pared y conductos de aire. Generalmente, los polímeros son excelentes para aplicaciones aeroespaciales ya que son livianos y duraderos. Sin embargo, los polímeros son débiles en comparación con los metales y no pueden usarse para aplicaciones de alta carga donde a menudo se prefiere el metal. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre ¿Qué son los polímeros?

5. Inconel®

Inconel® es una superaleación a base de níquel-cromo valorada por su resistencia a altas temperaturas y su excelente resistencia a la fluencia y a la corrosión. En aplicaciones aeroespaciales de impresión 3D, Inconel® se utiliza a menudo en motores de turbina a reacción para fabricar boquillas de combustible. La principal desventaja del Inconel es que es un material caro. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Qué es Inconel Metal.

6. Compuestos

Los materiales compuestos están formados por dos o más materiales constituyentes cuyas propiedades se complementan entre sí. Los materiales compuestos tienen beneficios estructurales como alta resistencia y bajo peso, así como una mayor resistencia al desgaste. Los materiales compuestos para la impresión 3D en aviones dan lugar a aviones más ligeros y estructuralmente más resistentes, ya que las propiedades deseables de los diferentes materiales crean sinergia. Una desventaja de los materiales compuestos impresos en 3D es que pueden ser costosos.

Una ilustración de un componente estructural aeroespacial impreso en 3D.

¿Cuáles son los pasos del proceso de impresión 3D en la industria aeroespacial?

La impresión 3D puede ayudar a validar el diseño y la función de las piezas y puede utilizarse para volúmenes de producción pequeños y medianos. Las partes del proceso de impresión 3D tal como se utiliza en la industria aeroespacial se enumeran y describen a continuación:

1. Diseño

Los diseños aeroespaciales comúnmente comienzan como modelos conceptuales que muestran un componente de aeronave en particular. Los modelos se crean en software CAD y luego se exportan a un formato de archivo compatible con impresoras 3D como .stl.

2. Preparación

Antes de que una impresora 3D pueda fabricar un diseño, se deben completar ciertos trabajos de preparación para garantizar una calidad de impresión óptima. Los métodos de preparación diferirán según la geometría de la pieza, el tipo de impresión 3D y la impresora que se utilice. Los modelos de piezas deben configurarse y orientarse en las impresoras de manera que se garantice una calidad óptima. Además, algunas impresoras, como las impresoras FDM (modelado por deposición fundida) y SLS (sinterización selectiva por láser), requieren que la plataforma de impresión o la plataforma de construcción se calienten antes de su uso. 

3. Impresión

Una vez que los modelos 3D se configuran como se desea y los sistemas de impresión 3D se preparan adecuadamente de acuerdo con el tipo de impresión 3D y máquina de impresión utilizada, se pueden fabricar las piezas. Los tiempos de impresión varían desde unos minutos hasta varios días, según el tamaño de la pieza y el tipo de impresión utilizada.

4. Postprocesamiento

Cuando se completa la impresión 3D, las piezas se pueden retirar de la bandeja de construcción. La mayoría de las piezas impresas en 3D requieren algún posprocesamiento. Sin embargo, las piezas impresas con un método pueden requerir más posprocesamiento que las producidas con otro método. Por ejemplo, las piezas impresas FDM a menudo solo requieren que se retire el material de soporte, mientras que las piezas impresas DED (deposición directa de energía) requieren procesos de mecanizado adicionales para obtener las dimensiones deseadas.

5. Prueba

Una vez que se completa el posprocesamiento, la pieza impresa en 3D se prueba y evalúa. Si se necesitan modificaciones en el diseño, la impresión 3D permite a los diseñadores crear y probar rápidamente nuevos diseños. Cuando se cumple la función prevista de una pieza impresa en 3D, la pieza puede imprimirse en 3D para una producción en lotes pequeños o medianos o fabricarse mediante métodos más tradicionales.

6. Certificación de pieza

La certificación de piezas es un paso vital en la industria aeroespacial para garantizar que los componentes impresos en 3D cumplan con estrictos requisitos normativos, de seguridad y de rendimiento. Los procesos de certificación pueden incluir pruebas de materiales, pruebas mecánicas y cumplimiento de estándares aeroespaciales como los de la Administración Federal de Aviación (FAA) o la Agencia de Seguridad Aérea de la Unión Europea (EASA). Es posible que las piezas deban someterse a extensos procedimientos de validación para demostrar su confiabilidad, durabilidad y rendimiento en condiciones aeroespaciales del mundo real. 

Una vez que una pieza está certificada, se puede aprobar su uso en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales de producción, lo que garantiza el cumplimiento de las regulaciones y estándares de seguridad de la industria.

¿Cuáles son los diferentes tipos de impresión 3D utilizados en la industria aeroespacial?

Existen varios tipos diferentes de impresión 3D que se pueden utilizar en la industria aeroespacial. Estos se enumeran a continuación:

1. Modelado por deposición fundida (FDM)

El modelado por deposición fundida (FDM) es un tipo de impresión 3D que utiliza un filamento termoplástico extruido para fabricar piezas capa por capa. El plástico fundido se extruye desde una boquilla hacia una bandeja de construcción. Cuando la primera capa se enfría, se deposita la siguiente capa. Este proceso se repite, capa por capa, hasta completar toda la pieza. La impresión FDM en el sector aeroespacial se utilizó originalmente para la creación de prototipos y la verificación de diseños, pero en los últimos tiempos se ha utilizado para producir piezas funcionales de aviones.

2. Estereolitografía (SLA)

La estereolitografía (SLA) es un proceso de impresión 3D que utiliza resina polimérica fotosensible colocada con precisión y que se cura con luz ultravioleta para fabricar piezas capa por capa. SLA ofrece una resolución muy alta y se utiliza a menudo para crear modelos para pruebas en túneles de viento. 

3. Sinterización selectiva por láser (SLS)

La sinterización selectiva por láser (SLS) es un proceso de impresión 3D que sinteriza y fusiona con precisión polvos termoplásticos para formar piezas capa por capa. Cuando se completa una capa, se deposita más polvo, la bandeja de construcción desciende y el proceso se repite. SLS es ideal para producir piezas con geometrías complejas a altas resoluciones. La impresión 3D SLS en el sector aeroespacial se utiliza habitualmente para la producción en pequeños lotes de componentes flexibles para el flujo de aire, como conductos de aire y piezas resistentes al calor, como biseles de boquillas.

4. Fusión por haz de electrones (EBM)

La fusión por haz de electrones (EBM) es un proceso de impresión 3D que utiliza polvo metálico eléctricamente conductor y haces de electrones para fabricar piezas capa por capa. El proceso de impresión debe realizarse en el vacío para evitar que las moléculas de gas interfieran con la energía emitida por el haz de electrones. El haz de electrones calienta el polvo metálico a temperaturas extremadamente altas para fundirlo y fusionarlo para formar piezas. La EBM se puede utilizar para fabricar piezas metálicas, como componentes de motores.

5. Deposición directa de energía (DED)

La deposición de energía dirigida (DED) es un proceso de impresión 3D que utiliza una fuente de energía, como un haz de electrones, un láser o un arco de plasma, para fundir el polvo o el filamento a medida que se deposita desde una boquilla. El proceso es similar al EBM pero no requiere que se complete el vacío. La impresión DED se usa comúnmente para fabricar piezas metálicas en motores de turbinas a reacción y puede usarse para reparar piezas metálicas que se han fabricado tradicionalmente

¿Cuáles son los diferentes tipos de máquinas de impresión 3D que se utilizan en la industria aeroespacial?

Los diferentes tipos de máquinas de impresión 3D utilizadas en la industria aeroespacial se describen a continuación:

1. Máquinas de fusión en lecho de polvo (PBF)

Las máquinas de fusión de lecho de polvo (PBF) son máquinas de impresión 3D que depositan polvos y los fusionan mediante procesos como SLS o EBM. Las ventajas de las máquinas PBF incluyen la capacidad de reciclar el polvo no utilizado para futuros procesos de impresión, una amplia selección de materiales plásticos y metálicos para elegir y un soporte mínimo necesario para producir piezas. Las desventajas de las máquinas PBF incluyen los altos requisitos de energía para imprimir piezas, piezas susceptibles a la distorsión térmica y un tiempo de impresión lento.

2. Máquinas de modelado por deposición fundida (FDM)

Las máquinas FDM son máquinas de impresión 3D que crean piezas extruyendo filamentos de plástico capa por capa. Las máquinas FDM tienen varias ventajas, entre ellas, bajo costo, tamaño reducido y una amplia variedad de materiales disponibles para imprimir. Sin embargo, las máquinas FDM también tienen desventajas. Las piezas impresas por FDM son propensas a deformarse y son débiles en direcciones perpendiculares a las capas de impresión. Además, las máquinas FDM son propensas a obstruir las boquillas y con frecuencia requieren calibración del lecho.

3. Máquinas de estereolitografía (SLA)

Las máquinas SLA son máquinas de impresión 3D que fabrican piezas curando polímeros fotosensibles con una pantalla LCD o láser que emite rayos UV. Las ventajas de las máquinas SLA incluyen la capacidad de imprimir piezas muy exactas y precisas, la capacidad de guardar resina no utilizada para futuros trabajos de impresión y la capacidad de imprimir patrones complejos e intrincados. Sin embargo, las desventajas de las máquinas SLA incluyen altos costos iniciales y de mantenimiento y las resinas no son amigables con el medio ambiente.

4. Máquinas de deposición directa de energía (DED)

Las máquinas de deposición de energía directa (DED) son impresoras 3D que producen piezas mediante el uso de una fuente de calor enfocada, como un láser, un arco de plasma o un haz de electrones que funde el polvo o el filamento. Las principales ventajas de una impresora DED son que permite controlar la estructura granular de las piezas impresas y permite fabricar piezas grandes con pocas herramientas. Las desventajas de las máquinas DED incluyen piezas fabricadas con poca precisión y la necesidad de posprocesamiento para obtener las dimensiones deseadas. Además, las máquinas DED son costosas y pueden costar más de $500 000, lo que puede ser una barrera para muchas organizaciones.

5. Impresión 3D de fibra continua

Si bien FDM puede imprimir polímeros compuestos, tienden a utilizar fibras cortadas, lo que disminuye la resistencia inherente que se encuentra en las fibras de carbono más largas. Con los sistemas de impresión 3D de fibra continua (como Markforged), la longitud continua de fibra de carbono se deposita en la cama de impresión, lo que permite que la pieza final conserve la resistencia de la fibra de carbono a granel. El filamento de fibra de carbono suele estar recubierto de un termoplástico, que se calienta al pasar a través de una boquilla, lo que permite que el filamento de fibra de carbono se adhiera a la capa anterior.

¿Para qué tipos de aplicaciones se utilizan las piezas impresas en 3D en la industria aeronáutica?

A continuación se enumeran algunos ejemplos de piezas que se pueden fabricar mediante impresión 3D para la industria aeronáutica:

1. Componentes del motor

Los materiales utilizados para los componentes del motor deben soportar elevadas tensiones mecánicas y térmicas. Piezas como las boquillas de combustible se pueden fabricar mediante procesos de impresión 3D como EBM (fusión por haz de electrones) y DED (deposición de energía directa). La producción de boquillas mediante estos procesos no sólo es más eficiente, sino que las boquillas en sí son más ligeras que las fabricadas con métodos de fabricación tradicionales. Esto ofrece importantes beneficios positivos relacionados con el rendimiento de la aeronave y el impacto ambiental.

2. Componentes estructurales

Los componentes estructurales son componentes interiores y exteriores que ayudan a formar y soportar el cuerpo rígido de una aeronave. Los componentes estructurales como soportes y brazos oscilantes se pueden fabricar mediante procesos de impresión 3D como EBM y DED utilizando titanio, aleaciones de titanio, cobre y aleaciones de níquel.

3. Mantenimiento y Reparación

El mantenimiento y la reparación de las aeronaves se realizan de forma rutinaria para garantizar su uso seguro y su larga vida útil. Los métodos de impresión 3D como EBM y DED se pueden utilizar para fabricar plantillas, accesorios y herramientas necesarias para realizar el mantenimiento y la reparación de aeronaves a partir de titanio, acero inoxidable y cobre, entre otros metales.

4. Componentes interiores

Los componentes interiores de los aviones incluyen de todo, desde equipos de aviónica hasta accesorios de cabina, como pestillos de puertas y accesorios de iluminación. FDM (modelado por deposición fundida) y SLS (sinterización láser selectiva) son dos métodos populares de impresión 3D que se utilizan habitualmente para fabricar componentes interiores de plástico para aviones.

5. Creación de prototipos y herramientas

La creación de prototipos y herramientas se refiere a los procesos relacionados con el diseño y prueba de nuevos conceptos de diseño y el desarrollo de herramientas relacionadas. La impresión 3D es excelente para crear prototipos y herramientas para la industria aeroespacial debido a su capacidad para fabricar piezas complejas bajo demanda con poco trabajo de configuración. Esto permite un rápido desarrollo y prueba de nuevos productos.

¿Qué son las piezas aeroespaciales impresas en 3D?

Las siguientes son piezas mecánicas aeroespaciales que se pueden fabricar mediante impresión 3D:

1. Boquillas de combustible
2. Palas de turbina 
3. Viviendas
4. Perlas aerodinámicas
5. Cierres de puerta
6. Trabajo de conductos
7. Respaldo del asiento
8. Paneles
9. Recortar piezas
10. Componentes del motor
11. Cuerpos de cohetes
12. Depósitos de combustible
13. Piezas de naves espaciales

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

Existen varias ventajas de las aplicaciones de impresión 3D en la industria aeronáutica. Se describen a continuación:

1. Peso reducido:la impresión 3D se puede utilizar para reemplazar piezas metálicas por piezas de plástico más ligeras. Los componentes producidos mediante impresión 3D reducirán el peso total del avión, lo que en consecuencia reduce el consumo de combustible y mejora el rendimiento del avión.
2. Rentabilidad:las piezas impresas en 3D se pueden fabricar en muchos menos pasos de proceso que las piezas producidas mediante procesos de fabricación tradicionales. Esto ayuda a reducir los costos generales de producción y el desperdicio.

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

También existen varias desventajas de la impresión 3D en la industria aeronáutica. Algunas desventajas se describen a continuación:

1. Materiales limitados disponibles:si bien muchos plásticos y metales ampliamente utilizados son compatibles con la impresión 3D, miles de aleaciones y compuestos siguen siendo incompatibles. Este hecho limita las posibles aplicaciones de la impresión 3D en la industria aeroespacial.
2. Estructura de pieza débil:algunos métodos de impresión 3D, como FDM (modelado por deposición fundida) y SLS (sinterización selectiva por láser), producen piezas con propiedades anisotrópicas (características que difieren según la dirección de una carga aplicada). Esto puede resultar indeseable para determinadas piezas que soportan carga y limita el potencial de diversas aplicaciones de impresión 3D para la industria aeroespacial.

   3. Proceso de certificación que requiere mucho tiempo:la industria aeroespacial es una industria impulsada por la seguridad, y los nuevos materiales y procesos deben someterse a certificación y calificación antes de que puedan usarse en aeronaves. Esto puede llevar mucho tiempo y ser costoso.

¿Quién utiliza la impresión 3D en la industria aeronáutica?

La impresión 3D es utilizada por empresas de I+D, fabricantes de aviones y empresas de mantenimiento. La impresión 3D se puede utilizar para la creación rápida de prototipos de piezas aeroespaciales y la producción de lotes pequeños y medianos de componentes, plantillas, accesorios y herramientas aeroespaciales de uso final para el mantenimiento de aeronaves.

¿Qué aplicaciones podría haber en el futuro la tecnología de impresión 3D en el sector de la aviación?

La impresión 3D es un proceso que sigue impactando positivamente en la industria aeroespacial. Está preparado para reducir el impacto ambiental negativo de la industria aeroespacial, impulsar la innovación dentro de la industria y mejorar tanto el rendimiento de las aeronaves como la eficiencia de fabricación en los años venideros. Las alas impresas en 3D y la aviación ecológica son solo dos ejemplos de futuras aplicaciones de la impresión 3D en el sector aeroespacial.

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Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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