La impresión 3D: cada vez más clave para la aviación

La fabricación aditiva por capas o impresión 3D se utiliza ahora ampliamente en el sector aeroespacial, incluso en el viaje a otro planeta. Mark Broadbent informa

La fabricación aditiva por capas (ALM), también conocida como impresión 3D, forma parte de la industria aeroespacial desde los años 90, pero sólo en la última década ha pasado de ser una tecnología de nicho que se encuentra sobre todo en trabajos de I+D a formar parte de la corriente tecnológica del sector.

H Goussé/Airbus
CFM International produces 3D-printed nozzles for LEAP engines
H Goussé/Airbus

Chris Schuppe, director general de ingeniería y tecnología de GE Additive, declaró a AIR International: "El sector aeroespacial fue uno de los primeros en adoptar la tecnología de aditivos metálicos y sigue siendo un superusuario. No vemos ninguna señal de que esto vaya a disminuir". El ritmo y el despliegue de la aditiva a escala industrial, especialmente en Estados Unidos y en toda Europa, demuestra que la aditiva es una tecnología de fabricación viable que puede diferenciar los productos sin dejar de cumplir los objetivos de coste y calidad que se esperan de los productos aeroespaciales."

¿Qué es la impresión 3D?
La ALM consiste en depositar polvo de plástico, aluminio, titanio o acero en una plantilla en capas sucesivas. Los láseres unen cada capa hasta que la forma 3D "crece" hasta convertirse en la estructura deseada.

La técnica ofrece numerosas ventajas sobre la fabricación tradicional. No es necesario forjar, moldear ni cortar las piezas, lo que reduce el exceso de material y los desperdicios. Las piezas más ligeras suponen un menor consumo de combustible y una reducción de las emisiones de CO2. Además, los fabricantes pueden controlar con precisión la forma final de una pieza para producir diseños altamente optimizados. Como señala EOS, especialista en impresión 3D con sede en Múnich, esto permite "integrar la máxima funcionalidad en el menor número de piezas posible".

Otras ventajas son la ausencia de maquinaria pesada y costosa, una implementación más rápida de las adaptaciones del producto y la repetibilidad necesaria para la producción en serie, lo que supone un mayor ahorro de costes y tiempo.

El valor de ALM va más allá de los nuevos productos. Un portavoz de GKN Aerospace, otro proveedor de productos ALM, declaró a AIR International: "ALM se utiliza mucho y cada vez más para el utillaje en la producción de componentes aeronáuticos debido a los cortos plazos de entrega, el coste relativamente bajo y el potencial de los ciclos de mejora rápidos que aumentan la eficiencia en la planta de producción".

Motor VK-1600V
Todas estas ventajas hacen que las piezas de fabricación aditiva se hayan convertido en algo habitual en el sector aeroespacial, desde aviones y helicópteros hasta motores y satélites.

Una nueva aplicación anunciada recientemente es la unidad VK-1600V de United Engine Corporation (UEC) que impulsará el helicóptero Kamov Ka-62. Una impresora láser del Centro de Tecnologías Aditivas de Rostec, empresa matriz de UEC, en Moscú, producirá hasta el 70% de la fundición del VK-1600V y partes del estator en la parte "caliente" del motor. Junto con otros componentes del fuselaje producidos por ALM, alrededor del 10% del Ka-62 se imprimirá en 3D, dijo UEC.

El director ejecutivo de Rostec, Oleg Yevtushenko, comentó: "Las tecnologías aditivas reducirán el tiempo de producción de los componentes individuales de seis meses a tres semanas".

CFM, GE Aviation, Rolls-Royce
CFM International produce toberas impresas en 3D para los turboventiladores LEAP de los aviones Airbus A220 y A320neo, Boeing 737 MAX y COMAC C919. GE Aviation, copropietaria al 50 % de CFM con Safran, también produce más de 290 piezas metálicas impresas en 3D para el turboventilador GE9X que impulsa el Boeing 777X, incluidas las palas de la turbina de baja presión del avión y las toberas de combustible.

Trent XWB
The engine front bearing housing that Rolls-Royce developed for the Trent XWB-97 Rolls-Royce

Casi el 30% de los componentes del nuevo motor turbohélice Catalyst de GE se imprimen en 3D. El jefe de innovación de GE Additive, Josh Mook, declaró a AIR International que estas piezas "reducen el peso del Catalyst en un 5%, al tiempo que aportan una mejora del 1% en el consumo específico de combustible y hasta un 20% más de eficiencia en el consumo de combustible que los motores turbohélice heredados disponibles en la actualidad".

Rolls-Royce ha colocado una cámara de combustión de fabricación aditiva en el motor Pearl 10X que ha desarrollado para el recientemente lanzado Falcon 10X bizjet de Dassault.

Anteriormente, la empresa fabricó un alojamiento de cojinete delantero de titanio para el Trent XWB-97 que se probó en vuelo en 2015 en el Airbus A380. Esa pieza no entró finalmente en producción, pero Rolls-Royce exploró las tecnologías impresas en 3D en su demostrador tecnológico Advance3, que a su vez alimentó el motor UltraFan de próxima generación que funcionará por primera vez en 2022.

De los aviones de pasajeros a los cazas
El Airbus A350 tiene más de 1.000 componentes impresos en 3D y hay piezas fabricadas de forma aditiva en el sistema de climatización de la cabina del A330neo. Un accesorio de respaldo para el pestillo de una puerta de acceso en el fuselaje delantero del Boeing 787 está fabricado con titanio estructural impreso en 3D suministrado por Norsk Titanium.

MTU Aero Engines utiliza máquinas de impresión 3D suministradas por EOS para fabricar los salientes del boroscopio de los Pratt & Whitney PurePower PW1100G-JM, mientras que Liebherr utilizó equipos de EOS para producir los controles de vuelo primarios del A380.

Las impresoras 3D de Stratasys son utilizadas por la empresa Senior Aerospace BWT, con sede en Adlington, Cheshire, que fabrica sistemas de distribución de aire ultraligeros y de baja presión para aviones y helicópteros.

Hay piezas de fabricación aditiva en el Lockheed Martin F-35 Lightning II y el Boeing F/A-18 Super Hornet. En 2019, la Fuerza Aérea de Estados Unidos introdujo un soporte impreso en 3D en el conjunto de la cabina del F-22 Raptor para sustituir un componente de aluminio propenso a la corrosión.

BAE Systems utiliza cuatro impresoras 3D Stratasys F900 de grado industrial en su centro de Salmesbury para fabricar subconjuntos y piezas del Typhoon, así como para llevar a cabo la verificación del diseño en prototipos y producir herramientas de fabricación. BAE utiliza la fabricación aditiva en su Fábrica del Futuro de Warton, inaugurada en 2020, y tiene planes a largo plazo para imprimir en 3D hasta el 30% del caza Tempest.

Según un comunicado de BAE Systems de 2020, la tecnología aditiva permite "diseñar estructuras imposibles (como cavidades dentro de bloques sólidos, por ejemplo) que no se podrían mecanizar de otra manera".

Satélites y exploradores de Marte
En el ámbito de los vuelos espaciales, los componentes de fabricación aditiva incluyen las válvulas oxidantes de los motores Merlin 1D del cohete Falcon 9 de SpaceX y los motores SuperDraco del sistema de escape de la nave Crew Dragon, así como las turbinas suministradas por GKN a ArianeGroup para el motor Prometheus del Ariane 6.

Airbus
Painting a 3D-printed spacer panel Airbus

El cohete Atlas V de United Launch Alliance tiene componentes impresos en 3D por Stratasys en los conductos de su sistema de control ambiental. Tanto Airbus Defence and Space como Lockheed Martin utilizan el ALM en sus satélites; esta última incluso tiene previsto fabricar un satélite íntegramente con impresión 3D.

Airbus Defence and Space UK, en Portsmouth, ha producido más de 500 componentes de radiofrecuencia impresos en 3D para los dos satélites de la serie Eurostar Neo, HOTBIRD 13F y 13G, que se lanzarán a finales de 2021 para apoyar los servicios de retransmisión de televisión de Eutelsat en Europa, Oriente Medio y el norte de África.

Las piezas fabricadas aditivamente han llegado incluso a Marte. El roverance de la NASA en el planeta rojo tiene 11 componentes metálicos impresos en 3D en dos instrumentos. Su predecesor Curiosity tenía una pieza impresa en 3D dentro de un muestreador.

Hacer las cosas de forma diferente
Josh Mook, de GE Additive, declaró a AIR International que la impresión 3D ofrece un potencial para "reimaginar las piezas fabricadas de forma convencional", y añadió que la empresa está "trabajando cada vez más en la próxima generación de motores, que incorporan la tecnología aditiva en la fase conceptual".

Chris Schuppe observó que algunas empresas también están trabajando con GE Additive en "la cadena de valor total de la producción de sus piezas de forma aditiva, no sólo la impresión 3D en sí".

Dijo: "La configuración del archivo de construcción, el modelado de la distorsión y la compensación, la optimización de la trayectoria de escaneado, la carga y descarga del polvo, el reciclaje del polvo, el posprocesamiento y la inspección, la cualificación y la certificación son sólo algunos ejemplos en los que nos piden ayuda".

"Otros clientes buscan un servicio de asistencia dedicado o un mantenimiento más autónomo de sus máquinas de fabricación aditiva por su cuenta. Muchos de los que se están iniciando en la tecnología buscan ayuda para identificar las aplicaciones adecuadas y diseñarlas para obtener el mejor resultado comercial."

Retos futuros
Mook advirtió que el camino hacia la producción aditiva en serie debe considerarse como "un maratón, no un sprint". Reflexionó sobre el hecho de que, aunque algunos usuarios muestren inicialmente "una exuberancia temprana y estén entusiasmados por sumergirse" en el uso de las tecnologías de aditivos metálicos, a veces hay "problemas de producción como paradas de fabricación, fallos de fabricación, variaciones entre máquinas y variaciones de fabricación".

Airbus
Airbus’ HOTBIRD 13F satellite features 3D-printed components made in Portsmouth Airbus

["Sin embargo, como ocurre con cualquier tecnología relativamente nueva, se necesita tiempo para que la familiaridad y la comprensión alcancen una masa crítica. Cuantas más personas dominen la tecnología aditiva y sepan cómo y dónde puede aplicarse con mayor éxito, más rápido crecerán las aplicaciones de producción".

Impacto de COVID-19
Chris Mook cree que se necesita una formación continua para fomentar el cambio en la ingeniería, las cadenas de suministro y los responsables de la toma de decisiones empresariales.

Un portavoz de GKN comentó: "Con el aumento de la concienciación y el conocimiento del ALM a nivel mundial, surgirán nuevos productos que no podríamos imaginar con las tecnologías convencionales. Habrá más aplicaciones de nicho en las que el ALM será la solución principal. Los principales desarrollos tecnológicos consistirán en abaratar el coste de las piezas y hacer que los equipos sean más fiables, lo que permitirá que haya más aplicaciones viables".

¿Podría el espíritu de innovación del sector tras la COVID-19, evidente en el aparente mayor interés por los desarrollos de la "aviación verde" y la digitalización, fomentar un mayor entusiasmo por el ALM?

Schuppe dijo: "Nos hemos dado cuenta de que la conversación cambió durante la COVID-19, no sólo en la industria aeroespacial, sino en todos los sectores. Muchas empresas han aprovechado este evento para replantearse fundamentalmente sus estrategias de producto, medioambientales y de cadena de suministro. Parte de esto es la incorporación de tecnologías de fabricación avanzadas, no sólo aditivas, sino también de software y de IA."