La industria de defensa se mueve hacia la impresión 3D multimaterial
A medida que la tecnología de fabricación aditiva se hace más frecuente, los ingenieros ahora están trabajando en formas de imprimir en 3D diferentes materiales en conjunto para producir piezas rentables y sostenibles para la industria aeroespacial.
La fabricación aditiva implica el proceso de utilizar software de modelado y equipos especializados para construir capas de material en un objeto tridimensional.
Primes incluyendo Lockheed Martin y Boeing, contratistas de alto riesgo y laboratorios universitarios y gubernamentales están explorando cómo imprimir en 3D un componente que contiene elementos de diferentes materiales, particularmente metales. Esto podría llevar a piezas que proporcionan robustez en un área y conductividad térmica en otros, reduciendo el tiempo de desarrollo y fabricando productos más duraderos.
La aplicación de fabricación aditiva para crear materiales multifuncionales permitiría a los ingenieros adaptar los requisitos de diseño y optimizar el material de las piezas en consecuencia, dijo Zach Loftus, un experto en fabricación aditiva de Lockheed. La compañía emplea la impresión 3D para construir piezas de vuelo y herramientas para muchos de sus sistemas espaciales.
En la fabricación tradicional, un componente fabricado con un material de alta resistencia puede conectarse mediante un perno u otro mecanismo a una pieza diseñada para conducir el calor, explicó. "En el futuro, creo que verán algunos sistemas materiales que no son 100 por ciento iguales a lo largo de toda la estructura", dijo.
La impresión de varios materiales aún está en sus inicios, dijo Mark Benedict, líder de fabricación aditiva de materiales y fabricación en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. Pero la capacidad de crear un material multifuncional, en lugar de hacer múltiples partes con funciones únicas y luego ensamblarlas, "es una capacidad que nos gustaría investigar", dijo.
Las plataformas de detección se beneficiarían de tal material integrado, señaló. "Eso sería un habilitador real."
Mientras que las aplicaciones potenciales ciertamente se están explorando, "la capacidad de hacer eso en una sola impresora está en su infancia", dijo Benedicto, y agregó que muy pocos sistemas de procesamiento aditivo son actualmente capaces de múltiples materiales. Los que son capaces, normalmente no pueden producir la calidad que se requiere todavía, agregó.
Actualmente hay alrededor de 10 metales que se pueden imprimir mediante la fabricación aditiva, "en comparación con los miles de metales que puede colocar en un avión", señaló. "Así que tenemos que ser muy selectivos sobre cómo elegimos las piezas para imprimir". Los
ingenieros del Centro de Procesamiento de Materiales Innovadores de la Universidad Estatal de Pensilvania mediante Deposición Digital Directa (CIMP-3D) han estado trabajando en formas de utilizar la fabricación aditiva para fundir diferentes metales juntos en un solo componente, dijo Rich Martukanitz, director del centro. El CIMP-3D es operado por el Laboratorio de Investigación Aplicada de la universidad.
El laboratorio está construyendo actualmente un componente estructural para una plataforma de la Marina de los EE. UU. Que requiere resistencia a la corrosión en ciertas áreas, dijo Martukanitz. "Podemos adaptar el sustrato para que sea muy resistente ... [y] agregar materiales basados en níquel solo en las áreas requeridas para la corrosión o la resistencia al desgaste."
Pero sigue siendo un desafío fusionar metales incompatibles, como el aluminio y el titanio, señaló.
Hay casos en que a los ingenieros les gustaría usar principalmente aluminio para una pieza debido a su baja densidad, pero específicamente necesitan el bajo peso y la alta resistencia del titanio en ciertos puntos, y la combinación directa puede conducir a problemas de incompatibilidad de materiales, dijo. . "Así que si pudieras unir los dos o crear componentes [que están hechos de] titanio y en otras áreas aluminio, eso sería un verdadero cambio de juego, y estamos trabajando para lograrlo", dijo.
CIMP-3D está desarrollando una forma de clasificar cada material de forma elemental, para evitar fases de transición no deseadas al imprimir un nuevo componente.
"En algunos casos, no se puede hacer un cambio abrupto de un material a otro debido a estas consideraciones metalúrgicas. Pero si los calificamos elementalmente, eso nos da mayores oportunidades de mezclar componentes "con materiales múltiples", dijo Martukanitz.
"La aplicación de aditivos a nuevos diseños [es] realmente donde vamos a ver una mejora significativa" a los sistemas de la Armada, agregó. Esto podría ayudar a dar a las plataformas militares una vida más larga, señaló.
Estas nuevas tecnologías de impresión en 3D ahora son posibles gracias a una estabilización constante de los procesos desde principios de la década de 2000, dijo Leo Christodoulou, líder de estrategia de tecnología empresarial para fabricación aditiva en Boeing Defense, Space and Security.
"Hubo y ha habido una evolución continua y un desarrollo continuo" en la fabricación aditiva, dijo. "Los procesos de ayer siempre han sido diferentes de los procesos de hoy. ... Pero en los últimos años, hemos visto algo de estabilidad en el proceso ".
Boeing calificó y realizó la primera pieza de titanio estructural con impresión 3D en un programa militar en 2003, según la compañía. La fabricación aditiva está jugando un papel en el trabajo de Boeing en el espacio, la futura elevación vertical, aviones tácticos y pesados y repuestos, dijo Christodoulou.
Los procesos estabilizados han liberado a los ingenieros de las limitaciones de diseño con las que anteriormente se enfrentaban con la fabricación tradicional, dijo.
Cortar una línea curva, por ejemplo, es mucho más fácil de hacer con las técnicas de fabricación aditiva, señaló. "El láser irá exactamente donde quiero que vaya, al mismo tiempo, siempre".
Un aspecto importante que la fabricación aditiva proporciona es que los ingenieros pueden crear diseños más complicados con muy poco impacto en el costo de fabricación, dijo Martukanitz.
Eso significa que los fabricantes pueden optimizar el diseño de una pieza para transportar cargas al tiempo que reducen el peso, o hacer un diseño que solía requerir múltiples partes separadas. "Puedes hacer todo eso al mismo costo", agregó.
El costo de crear piezas complejas se reduce con la fabricación aditiva, lo que significa que los ingenieros pueden diseñar "estructuras de aspecto realmente inusuales al mismo costo de hacer líneas rectas", dijo Christodoulou. Para un material costoso como el titanio, la relación de compra-venta -o la relación de peso entre la materia prima utilizada en un componente y el peso del componente en sí- puede reducirse significativamente a través de piezas impresas en 3D, agregó.
Componentes de aluminio siendo "excavados" después de ser producidos usando el proceso de fabricación aditiva
Benedicto estuvo de acuerdo, y señaló que los clientes pueden comprar una gran palanquilla de titanio y que "el 90 por ciento de ese material terminará en el taller como desechos" utilizando la fabricación sustractiva tradicional.
Con la fabricación aditiva, "realmente solo imprime lo que necesita y quizás solo un poco más para obtener un mejor acabado superficial", dijo.
Eso hace más que reducir el costo del componente o la mano de obra, dijo Ted Reutzel, jefe del departamento de ingeniería de sistemas láser en el Laboratorio de Investigación Aplicada de la PSU. Consolidar el proceso de ensamblaje puede reducir el costo de la cola logística.
"Hay una gran cantidad de papeleo que sigue cada parte", dijo. "Si reduces el número de partes entre un 90 y un 95 por ciento, eso significa un gran ahorro a favor del viento".
La capacidad de imprimir en 3D componentes de materiales multifuncionales también podría ayudar con la adaptación de plataformas antiguas cuyas líneas de producción se han apagado hace tiempo, dijo Tim Bulk, director de tecnología de Special Aerospace Services LLC, una empresa de fabricación de precisión con sede en Colorado.
"Estamos teniendo dificultades para encontrar algunos de los dibujos originales para algunos de los aviones originales que todavía están en funcionamiento", dijo Bulk. "Así que la capacidad de escanear algunas de las piezas más antiguas, incorporar el modelo prototipo y recrear un dibujo de ese modelo y producirlo ... que es un área de crecimiento".
SAS Manufacturing ha llevado a cabo ese tipo de trabajo en aeronaves reforzadas como las cañoneras AC-130 del Comando de Operaciones Especiales y en aeronaves que se están modernizando para misiones de inteligencia, vigilancia y reconocimiento, dijo.
A través de la fabricación aditiva, "podemos fabricar piezas extremadamente livianas que, en otros casos, son piezas mucho más resistentes gracias al proceso aditivo", dijo.
Las nuevas partes pueden no ser iguales a las que están reemplazando, señaló.
La fabricación aditiva "se ha vuelto muy eficiente en el diseño, por lo que no requiere demasiado material para cumplir con los requisitos de resistencia o tensión originales", dijo Bulk. La parte no siempre se ve "tan bonita" como un diseño tradicional, pero es más fuerte, más ligera y más eficiente, agregó.
Martukanitz señaló que funcionarios del Departamento de Defensa han dicho que para muchas plataformas heredadas, componentes relativamente simples tienen plazos de entrega muy largo, con “aviones que se sientan en la pista porque está teniendo siete, ocho, 10, 12 meses para obtener piezas de repuesto muy simples.”
Benedict dijo que la fabricación aditiva ha proporcionado agilidad para crear piezas que son muy difíciles de hacer, sin las herramientas necesarias para producir esas partes.
El sostenimiento de la plataforma ocupa "la mayor parte de nuestro presupuesto", agregó. "Mantener un B-52 [bombardero] en el aire es un desafío, dado que la mayoría de los fabricantes de equipos originales ya no están en el negocio".
A medida que la industria manufacturera invierte más en tecnologías de impresión 3D, las empresas y los laboratorios están aprovechando los recursos a través de America Makes, una asociación público-privada que busca ayudar a sus miembros a competir globalmente en el mundo de la fabricación aditiva.
Benedict, quien se desempeña como director de tecnología de America Makes, dijo que el instituto busca "poner a la comunidad manufacturera estadounidense al día en el uso de estas tecnologías" y "ayudar a la industria a incorporar estas tecnologías en sus procesos".
Lockheed Martin se está asociando con otros miembros de América se esfuerzan por desarrollar nuevos materiales para la fabricación aditiva, dijo Loftus, señalando que "estos son problemas comunes".
El desafío clave para el crecimiento futuro de la fabricación aditiva, sin embargo, sigue siendo la calificación y certificación de sus procesos, dijo Bulk.
Relativamente pocos componentes impresos en 3D han sido certificados por la Administración Federal de Aviación para ser colocados en aeronaves o naves espaciales, y los estándares recién se están desarrollando, dijo.
Reutzel dijo que el Laboratorio de Investigación Aplicada de PSU está comenzando a acoplar el aprendizaje automático con sensores de proceso para ayudar a monitorear la calidad de una pieza a lo largo de la construcción de fabricación aditiva. Los ingenieros pueden evaluar la calidad de la construcción en tiempo real y ajustar el proceso para reparar o mejorar el producto mientras está en progreso, en lugar de confiar únicamente en la inspección de calidad una vez que esté completo.
"Eso dará a las personas que producen piezas que se usarán en aplicaciones críticas una mayor fiabilidad y menos incertidumbre de la pieza en sí", dijo.
Lockheed Martin está buscando maneras de incorporar la fabricación aditiva en tecnologías automáticas complementarias mediante la creación de "clusters de robots" que puedan proporcionar control de calidad y monitoreo, dijo Loftus.
"Si se puede imaginar a un robot haciendo aditivos, uno haciendo restas, uno haciendo inspecciones y uno haciendo selecciones y colocando partes en una celda ... esa es la visión que tenemos para la automatización futura", dijo.
Christodoulou dijo que las pruebas cualitativas y el control siguen siendo un área que requiere mayor madurez antes de que pueda ser explotada al máximo. "Veo oportunidades significativas para mejorar esas ... de donde nos encontramos hoy", dijo.
http://www.nationaldefensemagazine....ustry-moves-toward-multi-material-3d-printing
