¿Qué aporta la impresión 3D a la industria aeroespacial?

La industria aeroespacial es un entorno muy exigente. Requiere elementos que sean capaces de soportar el desgaste continuo y las condiciones de alta presión y alta temperatura. La innovación y la investigación son constantes ya que los componentes deben ser fuertes y resistentes, pero también ligeros para aumentar el rendimiento de los aviones, facilitar el trabajo de mantenimiento y aumentar la productividad de los empleados. Esta calidad y fiabilidad indispensables deben equilibrarse con los horarios y las reservas de los vuelos comerciales, y con la urgencia y la disponibilidad necesaria 24/7 de los aviones militares. Si algo falla en la cadena de producción y logística, la disponibilidad, la calidad e incluso la seguridad de los vuelos comerciales y militares pueden verse comprometidas.

La evolución de la AM en la industria aeroespacial

Aquí es donde entra en escena la fabricación aditiva. En las etapas iniciales de la evolución de la impresión 3D, éste era un método de fabricación muy innovador pero bastante limitado. Las impresoras 3D eran una inversión costosa, eran lentas y demasiado pequeñas para albergar aplicaciones industriales a gran escala. Además, el mercado de materiales era muy limitado, especialmente en lo que respecta a materiales técnicos de ingeniería, y los fabricantes de impresoras 3D, normalmente, solo permitían utilizar sus propios materiales con sus impresoras (impresoras de entorno cerrado). Esos tiempos de la impresión 3D ya han quedado atrás. 

Hoy en día, la fabricación aditiva es una industria plenamente desarrollada con una extraordinaria flexibilidad de diseño y compatibilidad material-impresora, softwares especializados que permiten el diseño preciso y la ingeniería inversa, una amplia selección de materiales avanzados para los usos más especializados, impresoras 3D a gran escala con grandes volúmenes de construcción, y la capacidad de producir piezas ligeras que no tienen ninguna desventaja en comparación con sus homólogas CNC.

Vídeo 1. Airbus emplea soluciones de AM en su línea de producción. Fuente: Airbus.

La industria aeroespacial se esfuerza por conseguir piezas ligeras que tengan el mismo rendimiento que los componentes de aluminio fabricados tradicionalmente. La reducción de peso (aligeramiento) permite a los aviones volar más rápido, más lejos y con menos consumo de combustible. Cada 500 kg de reducción de peso se traduce en un 1% menos de consumo de combustible, lo que también supone una menor emisión de dióxido de carbono.

Las aportaciones de la AM en el sector aeroespacial

Cualquier idea de innovación en la industria aeroespacial tiene que pasar por un proceso de evaluación muy meticuloso para comprobar si el nuevo material o tecnología cumple con las numerosas y exigentes normativas de la FAA en materia de seguridad de los vuelos y de las aeronaves, ya sean comerciales o militares. Muchas aeronaves obsoletas tienen componentes fabricados con materiales que luego resultaron ser tóxicos y deben ser sustituidos, o materiales que simplemente ya no se fabrican y deben ser recreados.

Las empresas de fabricación aditiva ofrecen una amplia gama de filamentos que están certificados por la FAA debido a su gran resistencia a la tracción y a la resistencia química y térmica, pero sin efectos secundarios perjudiciales. Ejemplos de estos materiales serían los filamentos de la familia PAEK, como el filamento Essentium PEI 9085 ULTEM, Essentium PEEK o Essentium PEKK. Estos filamentos pueden utilizarse para aplicaciones en vuelo. El filamento ULTEM PEI ya se ha utilizado para imprimir en 3D piezas para sistemas de iluminación, interruptores eléctricos, carcasas y casquillos de bombillas.

Imagen 1. Conducto de control ambiental utilizado en un vehículo de lanzamiento espacial. Impreso con Essentium ULTEM 9085. Fuente: Essentium.

El filamento PEEK se ha utilizado en la industria aeroespacial para sustituir las piezas de aluminio de los motores, los cojinetes y las válvulas, así como los conductos ligeros para aislar y proteger los cables ópticos y los sistemas eléctricos del interior de un avión.

Mantenimiento interno flexible e inmediato

El papel de la impresión 3D en el sector aeroespacial ha superado la fase de sólo creación de prototipos, aunque la AM se sigue utilizando con ese fin. Dada la escala y el coste de la fabricación en la industria aeroespacial, las formas tradicionales de creación de prototipos mediante el moldeo por inyección y el mecanizado CNC consumen mucho tiempo y recursos. La impresión en 3D de un prototipo de avión o de su pieza reduce significativamente el coste de la producción de prototipos y los ajustes, el desperdicio de material y los retrasos, y permite la producción de estructuras mucho más complejas que con el CNC.

Imagen 2. Un prototipo de avión impreso en 3D. Fuente: Essentium.

Aparte de la fabricación de componentes para satélites (antenas para naves espaciales), drones y aeronaves no tripuladas (palas de rotor y piezas de motor), las aplicaciones más comunes de la AM en la industria aeroespacial son la producción de piezas terrestres y componentes de vuelo no críticos que no soportan carga.

Dado que los aviones son una inversión bastante cara, las unidades antiguas suelen durar más de lo que deberían. La fabricación aditiva es la tecnología perfecta para las pequeñas tareas de mantenimiento. Se trata de imprimir en 3D componentes no esenciales para el interior del avión que faltan o están dañados, como portavasos, bandejas, tapas de aseo, conductos de aire, paneles de instrumentos, etc. Gracias a la AM, es posible recrear un elemento aunque falten los planos, mediante ingeniería inversa: escanear la pieza, procesarla en un software de diseño y luego imprimirla en 3D.

Imagen 3. Turbinas impresas en 3D. Fuente: Essentium.

Lo mismo ocurre con todo tipo de herramientas, plantillas y accesorios. En este sentido, la innovación con la impresión 3D es mucho más fácil de aplicar porque los equipos de soporte en tierra no están sometidos a tanto escrutinio por parte de la FAA como las piezas aptas para el aire. Incluso si la herramienta original ya no se fabrica, puede imprimirse en 3D a partir de planos o adaptando el diseño de la herramienta en función del tornillo o de los elementos que debe encajar. Con la fabricación sustractiva tradicional, este proceso consumiría mucho más tiempo y material. Para que las herramientas, las plantillas y los accesorios sean ligeros pero eficaces, se pueden utilizar materiales reforzados con fibras de carbono, fibras de vidrio o metal. Se obtendrán piezas hasta un 50% más ligeras que las de aluminio, pero con una fuerza y una resistencia a la temperatura excelentes. Algunos filamentos excelentes para este propósito serían el filamento Essentium HTN CF25 o el filamento PA CF. Además de la fuerza, la resistencia y la ligereza, otras características que debe tener un filamento orientado a la industria aeroespacial son la ignifugación y la seguridad ESD. La planta de producción y las zonas de mantenimiento son espacios con temperaturas elevadas, materiales posiblemente explosivos y estáticos, una combinación muy peligrosa tanto para los equipos como para los empleados. El filamento Essentium TPU 90A FR tiene propiedades ignífugas, lo que minimiza considerablemente el riesgo de incendio y su propagación. Esto lo hace perfecto para herramientas, plantillas y accesorios utilizados en el hangar o alrededor del avión. 

Imagen 4. Una pieza de seguridad fabricada con TPU Essentium 58D-AS. Fuente: Essentium.

El TPU 58D-AS de Essentium, por su parte, es un filamento diseñado especialmente para la industria aeroespacial, para la fabricación de piezas que deben ser retiradas antes del vuelo (de ahí el color rojo para llamar la atención). El TPU 58D-AS reduce el riesgo de descarga electrostática, que es un peligro para las personas y para los componentes electrónicos, que son extremadamente cruciales para el buen funcionamiento de los sistemas de navegación de un avión, entre otras funciones.

Superar las limitaciones logísticas

Mantener los aviones en condiciones de seguridad y listos para el vuelo y la misión, tanto en la industria aeroespacial comercial como en la militar, es extremadamente crucial, incluso más que la innovación constante. La fabricación aditiva tiene tantas aplicaciones en esas industrias precisamente porque permite a los transportistas de pasajeros, las empresas de mensajería y los ejércitos tener más independencia y flexibilidad en el mantenimiento de sus aviones.

La pandemia de Covid-19 ha cambiado el mundo de muchas maneras. La industria aeroespacial no fue una excepción, ya que muchas cadenas de suministro se vieron repentinamente en pausa durante periodos de tiempo imprevistos. Esto ha paralizado las operaciones de producción, mantenimiento y entrega debido a la dependencia de contratistas y empresas de reparto, consecuencia de un modelo de fabricación tradicional. Muchas aerolíneas comerciales sufrieron grandes pérdidas económicas debido a la cancelación de vuelos, y eso supuso tener que buscar nuevas formas de reducir costes. La fabricación aditiva puede ser la respuesta a ello.

Con la fabricación tradicional, como el CNC, la producción de un componente seguro para la ESD, un componente resistente a la corrosión y un componente de alta temperatura requeriría muy probablemente el uso de los costosos servicios de tres contratistas diferentes, tiempos de espera variados y largos (también dependiendo del proveedor del contratista), y una entrega complicada o imposible en el caso de las aeronaves militares estacionadas en el extranjero. 

Imagen 5. Un ejemplo de fabricación iterativa. Fuente: Essentium.

Otro problema es que las herramientas únicas o las piezas de repuesto de tirada limitada son omnipresentes en la industria aeroespacial. Recurrir al moldeo por inyección o al mecanizado CNC para fabricar una herramienta única para un solo uso implicaría costes innecesarios y tiempos de espera innecesariamente largos. Todo eso puede solucionarse con la impresión 3D, ya que una sola impresora 3D puede utilizarse in situ para producir todas esas piezas con diferentes filamentos técnicos avanzados a un coste mucho menor y con un menor riesgo de retraso. Esta forma de fabricación también elimina la necesidad de almacenar piezas de repuesto en todo el mundo para realizar tareas de mantenimiento, ya que cualquier pieza necesaria puede imprimirse en 3D en cualquier lugar y en cualquier momento bajo demanda. Todas estas pequeñas mejoras conducen a una simplificación y acortamiento general de la cadena de suministro y producción en el sector aeroespacial, lo que, en consecuencia, reduce los costes y equilibra la huella de carbono que dejan los aviones.

Ejemplos reales

Un gran ejemplo de la aplicación de las tecnologías de AM en un contexto aeroespacial real es la empresa Axle Box. Desarrollaron una plataforma de drones para SkyFire, para sus clientes de silvicultura y protección contra incendios. Estos elementos tenían que ser capaces de soportar las condiciones de una operación de extinción de incendios a gran escala en el aire: fuego, agua y viento. Las piezas se produjeron al menor coste y con plazos de entrega más rápidos en comparación con la competencia. Se imprimió en 3D el cuerpo central del dron con el filamento Essentium HTN CF25 y las cubiertas laterales con el filamento PA CF. Ambos materiales superaron las expectativas en las pruebas de vuelo, demostrando grandes propiedades mecánicas y alta velocidad.

Vídeo 2. Una pieza impresa en 3D para una plataforma de aterrizaje de drones por Axle Box. Fuente: Essentium.

Una avería muy común en los aviones es un fallo hidráulico, sobre todo debido al peso de la aeronave y a las tensiones que soporta durante un vuelo. El proceso de reparación de una avería hidráulica suele ser muy exigente en términos de tiempo y mano de obra, ya que requiere que varios técnicos accedan al origen de la avería y luego mantengan la sustitución en su sitio mientras se instalaba. Esos fallos hidráulicos se producían con tanta frecuencia y eran tan costosos de reparar que un importante fabricante aeroespacial decidió imprimir en 3D un refuerzo que sujetara la pieza de repuesto en su sitio, sin necesidad de mano de obra adicional para ayudar en el proceso.

La introducción de la fabricación aditiva en el sector aeroespacial ha sido un avance innovador tanto para la AM como para la industria aeroespacial. Ha sido un reto emocionante y transformador para el mundo de la impresión 3D debido a la cantidad de materiales especializados con propiedades avanzadas que se requieren en la industria aeroespacial. Para la industria aeroespacial ha supuesto un gran paso hacia una mayor flexibilidad de diseño, reducción de costes e independencia logística, gracias a las impresionantes posibilidades de velocidad, escala e iteración que ofrece la impresión 3D.