Cosa apporta la stampa 3D all'industria aerospaziale?

L'industria aerospaziale è un ambiente molto esigente. Richiede elementi in grado di resistere all'usura continua e alle condizioni di alta pressione e alta temperatura. L'innovazione e la ricerca sono costanti poiché i componenti devono essere robusti e resistenti, ma anche leggeri per aumentare le prestazioni degli aeromobili, facilitare il lavoro di manutenzione e aumentare la produttività dei dipendenti. Questa qualità e affidabilità indispensabili devono essere bilanciate con gli orari e le prenotazioni dei voli commerciali, e con l'urgenza e la disponibilità necessarie 24/7 per gli aerei militari. Se qualcosa va storto nella catena di produzione e logistica, la disponibilità, la qualità e persino la sicurezza dei voli commerciali e militari possono essere compromesse.

L'evoluzione della stampa 3D nell'industria aerospaziale

È qui che entra in gioco la fabbricazione additiva. Nelle fasi iniziali dell'evoluzione della stampa 3D, questa era un metodo di produzione molto innovativo ma piuttosto limitato. Le stampanti 3D erano un investimento costoso, erano lente e troppo piccole per ospitare applicazioni industriali su larga scala. Inoltre, il mercato dei materiali era molto limitato, specialmente per quanto riguarda i materiali tecnici di ingegneria, e i produttori di stampanti 3D solitamente consentivano solo l'uso dei propri materiali con le proprie stampanti (stampanti a ambiente chiuso). Quel periodo della stampa 3D è ormai passato.

Oggi, la fabbricazione additiva è un'industria pienamente sviluppata con una straordinaria flessibilità di progettazione e compatibilità tra materiale e stampante, software specializzati che consentono una progettazione precisa e l'ingegneria inversa, una vasta selezione di materiali avanzati per usi altamente specializzati, stampanti 3D su larga scala con ampi volumi di costruzione, e la capacità di produrre pezzi leggeri che non presentano svantaggi rispetto alle controparti CNC.

Video 1. Airbus utilizza soluzioni AM nella sua catena di produzione. Fonte: Airbus.

L'industria aerospaziale si sforza di ottenere parti leggere con le stesse prestazioni dei componenti in alluminio fabbricati tradizionalmente. La riduzione del peso (alleggerimento) consente agli aerei di volare più velocemente, più lontano e con un minor consumo di carburante. Ogni riduzione di peso di 500 kg si traduce in una diminuzione del consumo di carburante del 1%, il che comporta anche una minor emissione di diossido di carbonio.

Contributi dell'AM nel settore aerospaziale

Ogni idea innovativa nell'industria aerospaziale deve passare attraverso un processo di valutazione molto accurato per verificare se il nuovo materiale o la nuova tecnologia risponde ai numerosi e rigorosi regolamenti della FAA in materia di sicurezza dei voli e delle aeromobili, siano essi commerciali o militari. Molti aeromobili obsoleti avevano componenti fabbricati con materiali che si sono poi rivelati tossici e devono essere sostituiti, o materiali che semplicemente non vengono più prodotti e devono essere ricreati.

Le aziende di fabbricazione additiva offrono una vasta gamma di filamenti certificati dalla FAA grazie alla loro grande resistenza alla trazione e alla resistenza chimica e termica, ma senza effetti collaterali dannosi. Esempi di questi materiali sono i filamenti della famiglia PAEK, come il filamento Essentium PEI 9085 ULTEM, Essentium PEEK o Essentium PEKK. Questi filamenti possono essere utilizzati per applicazioni in volo. Il filamento ULTEM PEI è stato utilizzato per stampare in 3D pezzi per sistemi di illuminazione, interruttori elettrici, custodie e portalampade.

Immagine 1. Condotto di controllo ambientale utilizzato in un lanciatore spaziale. Stampato con Essentium ULTEM 9085. Fonte: Essentium.

Il filamento PEEK è stato utilizzato nell'industria aerospaziale per sostituire le parti in alluminio dei motori, i cuscinetti e le valvole, nonché per i condotti leggeri per isolare e proteggere i cavi ottici e i sistemi elettrici all'interno di un aereo.

Mantenimento interno flessibile e immediato

Il ruolo della stampa 3D nel settore aerospaziale è andato oltre la fase di semplice creazione di prototipi, anche se l'AM viene ancora utilizzata per questo scopo. Date la scala e il costo della produzione nell'industria aerospaziale, i metodi tradizionali di creazione di prototipi tramite stampaggio ad iniezione e lavorazione CNC richiedono molto tempo e risorse. La stampa 3D di un prototipo di aereo o del suo componente riduce significativamente il costo di produzione dei prototipi e le regolazioni, lo spreco di materiale e i ritardi, e consente la produzione di strutture molto più complesse rispetto al CNC.

Immagine 2. Un prototipo di aereo stampato in 3D. Fonte: Essentium.

Oltre alla produzione di componenti per satelliti (antenne per veicoli spaziali), droni e aeromobili senza equipaggio (pale del rotore e parti del motore), le applicazioni più comuni dell'AM nell'industria aerospaziale sono la produzione di componenti terrestri e componenti di volo non critici che non sopportano carichi.

Dato che gli aerei sono un investimento piuttosto costoso, le unità obsolete tendono a durare più a lungo di quanto dovrebbero. La fabbricazione additiva è la tecnologia perfetta per le piccole attività di manutenzione. Si tratta di stampare in 3D componenti non essenziali per l'interno dell'aereo che mancano o sono danneggiati, come portabicchieri, vassoi, tappi per il bagno, condotti dell'aria, pannelli strumenti, ecc. Grazie all'AM, è possibile ricreare un elemento anche in assenza dei disegni, mediante ingegneria inversa: scansionare il pezzo, elaborarlo con un software di progettazione e quindi stamparlo in 3D.

Immagine 3. Turbine stampate in 3D. Fonte: Essentium.

Lo stesso vale per tutti i tipi di strumenti, modelli e accessori. In questo senso, l'innovazione con la stampa 3D è molto più facile da applicare perché le attrezzature di supporto a terra non sono sottoposte a così tanta attenzione da parte della FAA come le parti aeree. Anche se lo strumento originale non è più in produzione, può essere stampato in 3D a partire dai disegni o adattando il design dello strumento in base alla vite o agli elementi con cui deve combaciare. Con la produzione tradizionale sottrattiva, questo processo richiederebbe molto più tempo e materiale. Per rendere leggere ma efficaci le attrezzature, i modelli e gli accessori, è possibile utilizzare materiali rinforzati con fibre di carbonio, fibre di vetro o metallo. Si otterranno pezzi fino al 50% più leggeri rispetto all'alluminio, ma con una forza e una resistenza alla temperatura eccellenti. Alcuni ottimi filamenti per questo scopo includono il filamento Essentium HTN CF25 o il filamento PA CF. Oltre alla forza, alla resistenza e alla leggerezza, altre caratteristiche che un filamento orientato all'industria aerospaziale dovrebbe avere sono la resistenza al fuoco e la sicurezza ESD. Lo stabilimento di produzione e le aree di manutenzione sono spazi con temperature elevate, materiali potenzialmente esplosivi e statici, una combinazione molto pericolosa sia per le attrezzature che per i dipendenti. Il filamento Essentium TPU 90A FR ha proprietà ignifughe, riducendo notevolmente il rischio di incendi e la loro propagazione. Questo lo rende perfetto per gli strumenti, i modelli e gli accessori utilizzati nel hangar o intorno all'aereo.

Immagine 4. Un pezzo di sicurezza realizzato con il TPU Essentium 58D-AS. Fonte: Essentium.

Il TPU 58D-AS di Essentium, d'altra parte, è un filamento progettato appositamente per l'industria aerospaziale, per la produzione di pezzi che devono essere rimossi prima del volo (da qui il colore rosso per attirare l'attenzione). Il TPU 58D-AS riduce il rischio di scariche elettrostatiche, che sono un pericolo sia per le persone che per i componenti elettronici, che sono estremamente cruciali per il corretto funzionamento dei sistemi di navigazione di un aereo, tra le altre funzioni.

Superare le limitazioni logistiche

Mantenere gli aerei in condizioni di sicurezza e pronti al volo e alla missione, sia nell'industria aerospaziale commerciale che in quella militare, è estremamente cruciale, ancora più dell'innovazione costante. La fabbricazione additiva ha così tante applicazioni in queste industrie proprio perché consente alle compagnie aeree, alle società di spedizioni e agli eserciti di avere maggiore indipendenza e flessibilità nella manutenzione dei loro aerei.

La pandemia da Covid-19 ha cambiato il mondo in molti modi. Anche l'industria aerospaziale non è stata un'eccezione, poiché molte catene di approvvigionamento sono state improvvisamente messe in pausa per periodi di tempo imprevisti. Ciò ha bloccato le operazioni di produzione, manutenzione e consegna a causa della dipendenza da fornitori e aziende di spedizioni, che sono una conseguenza del modello di produzione tradizionale. Molte compagnie aeree commerciali hanno subito grandi perdite economiche a causa della cancellazione dei voli, il che ha richiesto la ricerca di nuovi modi per ridurre i costi. In questo senso, la fabbricazione additiva è stata una risposta a molte di queste difficoltà, consentendo una maggiore flessibilità e indipendenza nella produzione e nella manutenzione.

Con la produzione tradizionale, come il CNC, la realizzazione di un componente sicuro per l'ESD, un componente resistente alla corrosione e un componente ad alta temperatura richiederebbe molto probabilmente l'uso dei costosi servizi di tre diversi contraenti, tempi di attesa variabili e lunghi (a seconda anche del fornitore del contraente), e una consegna complicata o impossibile nel caso di aeromobili militari schierati all'estero.

Immagine 5. Un esempio di produzione iterativa. Fonte: Essentium.

Un altro problema è che gli strumenti unici o i pezzi di ricambio a tiratura limitata sono onnipresenti nell'industria aerospaziale. Ricorrere alla fusione ad iniezione o alla lavorazione CNC per realizzare uno strumento unico per un singolo utilizzo comporterebbe costi e tempi di attesa ingiustificatamente elevati. Tutto questo può essere risolto con la stampa 3D, poiché una singola stampante 3D può essere utilizzata in loco per produrre tutti questi pezzi con diversi filamenti tecnici avanzati a un costo molto inferiore e con un minor rischio di ritardi. Questo metodo di produzione elimina anche la necessità di conservare pezzi di ricambio in tutto il mondo per eseguire operazioni di manutenzione, poiché ogni pezzo necessario può essere stampato in 3D ovunque e in qualsiasi momento su richiesta. Tutti questi piccoli miglioramenti portano a una semplificazione e abbreviazione generale della catena di approvvigionamento e produzione nel settore aerospaziale, riducendo di conseguenza i costi ed equilibrando l'impronta di carbonio lasciata dagli aeromobili.

Esempi concreti

Un ottimo esempio dell'applicazione delle tecnologie di AM in un contesto aerospaziale reale è l'azienda Axle Box. Hanno sviluppato una piattaforma di droni per SkyFire, destinata ai loro clienti nel settore forestale e della protezione antincendio. Questi componenti dovevano essere in grado di resistere alle condizioni di un'operazione di spegnimento degli incendi su larga scala in aria: fuoco, acqua e vento. I pezzi sono stati prodotti a un costo inferiore e con tempi di consegna più rapidi rispetto alla concorrenza. Il corpo centrale del drone è stato stampato in 3D utilizzando il filamento Essentium HTN CF25 e le coperture laterali con il filamento PA CF. Entrambi i materiali hanno superato le aspettative nei test di volo, dimostrando ottime proprietà meccaniche e alta velocità.

Video 2. Un pezzo stampato in 3D per una piattaforma di atterraggio per droni di Axle Box. Fonte: Essentium.

Un guasto molto comune sugli aerei è un malfunzionamento idraulico, soprattutto a causa del peso dell'aeromobile e delle tensioni che deve sopportare durante il volo. La procedura di riparazione di un guasto idraulico è spesso impegnativa in termini di tempo e manodopera, poiché richiede che diversi tecnici accedano alla fonte del guasto e successivamente mantengano la sostituzione al suo posto durante l'installazione. Questi guasti idraulici si verificavano così frequentemente e avevano costi di riparazione così elevati che un importante produttore aerospaziale ha deciso di stampare in 3D un rinforzo per tenere il pezzo di ricambio al suo posto, senza la necessità di ulteriore manodopera per assistere nel processo.

L'introduzione della produzione additiva nel settore aerospaziale è stata un'innovazione rivoluzionaria sia per la stampa 3D che per l'industria aerospaziale. È stata una sfida entusiasmante e trasformativa per il mondo della stampa 3D a causa della varietà di materiali specializzati con proprietà avanzate richiesti dall'industria aerospaziale. Per l'industria aerospaziale è stato un grande passo verso una maggiore flessibilità di progettazione, riduzione dei costi e indipendenza logistica, grazie alle straordinarie possibilità di velocità, scala e iterazione offerte dalla stampa 3D.