Cómo la Impresión 3D Está Revolucionando la Aeroespacial y Defensa

Puede que aún no sean hardware crítico para vuelo, pero las piezas impresas en 3D para aeronaves comerciales, militares y naves espaciales están facilitando la reducción de peso y costos de material. Traducción: Hay ROI aquí para casos de uso muy específicos, y ganancia funcional de los ahorros puestos en buen uso.

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 impacto hoy, y miramos algunas de las limitaciones.

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

La Historia de la Impresión 3D y Piezas Aditivas para Aeroespacial y Defensa

La industria aeroespacial y de defensa, especialmente el ejército de EE. UU., fue un adoptante temprano de piezas impresas en 3D, pero principalmente para pruebas y simulación porque las calificaciones de fuego y toxicidad de los plásticos no estaban a la par con los metales para vuelo, tanto en el espacio como sobre las nubes.

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

Estos casos de uso eran buenos para imitar el flujo de viento. Estas piezas nunca se usaron con humanos. Antes de esta era, a mediados de los años 90, algunas piezas 3D se usaron para fundiciones rápidas.

Las cosas comenzaron a cambiar alrededor de 2007 a 2013.

"El mayor cambio en el sector aeroespacial fue en realidad el desarrollo de sinterizado selectivo por láser retardante de llama", dice Newbrite. "Es una de las pocas cosas que comenzó a encontrarse en uso en aviación comercial... Básicamente tomó nailon 12 o nailon 11 y agregó retardantes de llama para que pasara las pruebas de llama."

Esto fue significativo porque significaba que el material podía sostener algo de calor sin prender fuego y podía autoextinguirse rápidamente sin emitir humos tóxicos.

Se usó primero en satélites. ¿La razón principal? Retorno de inversión.

"Cuesta $40,000 a $50,000 por kilogramo poner un satélite en geoestacionario", dice Newbrite. "Así que si puedes diseñar un soporte estructural o un miembro interno de un satélite y reducir unos pocos kilogramos, bueno, el costo agregado real de tener que construirlo de aditivo está más que cubierto."

Un Momento Crucial en la Historia de la Impresión 3D en Aeroespacial: La Boquilla de Combustible del Motor LEAP de GE

Una de las piezas aditivas más notables hechas para aviación comercial fue una boquilla de combustible impresa en 3D por GE, para el motor LEAP. Es un ejemplo brillante de cómo los esfuerzos de investigación y desarrollo llegan a fructificar y garner mucha atención por innovación.

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

Barrett trabaja para Universal Technology Corporation como científico de investigación y es candidato a Ph.D. en Youngstown State University en Ohio.

"La forma en que tenían que hacerla antes es básicamente toneladas de capas de láminas de diferentes tipos aplastadas juntas", dice Barrett. "Y esa era la única forma en que podían obtener la complejidad que necesitaba. Para la versión 3D, usó el mismo enfoque por capas, pero imagínelo 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 el número de brasaduras y soldaduras de 25 a solo cinco."

Un Tema Común en 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 aeroespacial y defensa no son críticas para vuelo hoy. 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 enfoques aditivos se pondrán al día", dice Newbrite. "Pero en términos de costo, realmente no ve una tonelada de eso ahora en producción. Los aviones comerciales grandes se han vuelto muy eficientes. Realmente, la mayoría de los casos de uso ahora están fuertemente enfocados en militares, drones, aeronaves no tripuladas y satélites, donde el peso realmente importa."

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

"Usualmente es 10 a 100 veces el costo de lo tradicional", dice Barrett. "Así que necesita mostrar una mejora de 10 a 100 veces como pieza al final del día."

Sin embargo, hay algunas aplicaciones en uso hoy, y muchas otras que se están evaluando. Los grandes OEMs comerciales y de defensa, incluyendo Boeing, Airbus, Honeywell, GE y Lockheed Martin, están invirtiendo fuertemente en investigación de fabricación aditiva.

Barrett apunta a otro proyecto de I+D de GE que intentó imprimir la mayoría de las partes de un motor de avión, un turbohélice avanzado (ATP), y tuvo éxito usando superaleaciones de titanio.

"GE tomó un motor que había sido hecho de 855 partes y lo redujo a unas 12", dice Barrett. "Pudieron reducir el peso del motor en 100 libras e impulsar la eficiencia de 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 potencia sobre su predecesor. Este motor está planeado para entrar en producción para el avión Cessna Denali de Textron Aviation.

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Impresión 3D para Aeroespacial y 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 encontradas en C-130 y B-52. Las aeronaves son más antiguas pero todavía están en uso para transportar carga y tropas, y sus piezas se están volviendo cada vez más difíciles de reemplazar, explica Barrett.

¿El problema? Los aviones pueden estar en tierra por períodos prolongados, a veces por varios años debido a la falta de repuestos. Algunas de estas aeronaves datan de 50 años, y las empresas ya no fabrican piezas para ellas, o han cerrado. Las empresas dispuestas a fabricar repuestos pueden tomar años en completarlos.

"Cuando empezamos a investigar esto, descubrimos que algunas de estas piezas, porque han estado en el avión y han sido golpeadas durante tantas décadas, se han estirado y deformado a medida que el avión se ha estirado y deformado", dice Barrett. "Así que cada pieza es un poco diferente, porque el giro de 90 grados ahora ya no es 90 grados, podría ser 85 grados. Bueno, no puedo hacer un molde de fundición que tenga en cuenta todas estas diferencias. Así que hace un caso perfecto para la impresión 3D."

Empresas como 3D Systems y otras pueden hacer piezas personalizadas para cada avión trayendo escáneres 3D a un avión, creando archivos digitales e imprimiendo cada pieza adaptada para ajustarse a la forma y geometría de esa pieza en su condición actual.

Vea MRO y repuestos siendo hechos para aeronaves militares heredadas. Fuente: 3D Systems

Este proyecto de repuestos heredados involucra a varias organizaciones públicas y privadas a través de una iniciativa llamada Maduración de Fabricación Avanzada para Sustentación de Bajo Costo, o MAMLS, que está financiada por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.

Un fabricante que ha hecho avances con aviones C-130 es Metro Aerospace, una empresa destacada en Better MRO en la Feria Internacional de Tecnología de Fabricación 2018. Metro Aerospace ha estado entregando piezas de microaleta a los militares. Las microaletas están hechas de un polímero compuesto ligero, no corrosivo y duradero que incluye vidrio y cuentas de nailon.

Lea todo sobre los desafíos y éxito de producción de Metro Aerospace en el artículo "Cómo Llevar una Pieza Impresa en 3D al Mercado en Aeroespacial".

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