Aero - Espacio

Descripción y características principales

La industria aeroespacial es la industria que se ocupa del diseño, fabricación, comercialización y mantenimiento de aeronaves (aviones, helicópteros, vehículos aéreos no tripulados, misiles, etc.), naves espaciales y cohetes, así como de equipos específicos asociados (propulsión, sistemas de navegación, etc.). Asimismo, el sector económico de la industria aeronáutica y espacial, junto al automovilístico, son sectores estrechamente ligados a la industria de defensa, ambas evolucionando a un ritmo acelerado, experimentando cambios continuos gracias al ritmo vertiginoso de los cambios tecnológicos y avances digitales.

Histórico del uso de Fabricación Aditiva en el sector

El desarrollo de las tecnologías de fabricación aditiva (FA) en los últimos años ha sido exponencial, no solo a nivel de fabricación, sino de post-procesos y estandarización. Esto ha permitido descubrir nuevas aplicaciones e investigar en el potencial de la tecnología. Sectores como la Aeronáutica y la Automoción son ejemplos en los cuales la fabricación aditiva tiene un mayor mercado por explotar pues la reducción de costes debido en fabricación de las piezas y componentes, así como en aquellos costes derivados del mantenimiento periódico tradicional, ya ha sido demostrada.

Hoy en día, el desarrollo y fabricación de elementos estructurales es uno de los pasos más caros y que consumen mayor tiempo dentro de cualquier proceso de fabricación. Las razones fundamentales son: geometrías cada vez más complejas de las piezas finales a fabricar, esto requiere además altos niveles de exactitud y fiabilidad, baja rugosidad y altas prestaciones mecánicas. Es en este sentido que cada vez más empresas, y sobre todo en EEUU con el impulso dado por el programa del Expresidente Obama, llamado America Make’s, identifican las tecnologías aditivas como una gran oportunidad para abaratar coste, ganar en flexibilidad y reducir los plazos de entrega. La oportunidad en Europa, cuyo mercado tiene un tamaño de similar, es aún mayor debido a que hay sectores que se están preparando para un incremento en su volumen de fabricación tras la crisis provocada por la pandemia, y por ende el volumen de mercado puede crecer entorno al 20%.

En definitiva, está claro que hay un mercado en el que la introducción de nuevas tecnologías de fabricación y respuesta “en vivo” sobre el estado de los elementos, piezas y componentes que conforman el producto brindará un gran negocio a las empresas que se especialicen en las tecnologías 3D y de desarrollo de sistemas de Inteligencia Artificial, especialmente si confirman las presunciones de: menor coste de fabricación y mantenimiento, mayor flexibilidad y menor plazo de entrega.

Actualmente, ya se pueden encontrar en modelos de aviación comercial múltiples ejemplos de piezas plásticas y metálicas estructurales fabricadas por FA, así como de componentes estructurales en vehículos espaciales, gracias a que las propiedades obtenidas cumplen con los requerimientos funcionales y mecánicos de la industria aeroespacial. La extensión de dichas técnicas a componentes de mayor responsabilidad estructural (partes de la estructura primaria) continúa siendo un reto en la actualidad, con antecedentes en proyectos de I+D en su mayoría en TRLs bajos o medios.

Ventajas del uso de la Fabricación Aditiva en el sector

Son bien conocidas las ventajas en el uso de la FA en el sector aeroespacial para la fabricación de componentes metálicos. La fabricación aditiva es el proceso que se está erigiendo como alternativa al mecanizado para series cortas y para partes complejas y costosas, permitiendo la reducción de costes y tiempos. En el caso particular de los productos espaciales pueden beneficiarse en gran medida de estos procesos alternativos cuyas principales fortalezas se encuentran en la combinación de características fundamentales que identifican al sector espacial: (i) la fabricación de productos únicos, (ii) series cortas, (iii) necesidad de reducción de peso a través de optimización topológica, (iv) componentes estructurales, pero no sometidos a cargas de fatiga, etc. Estos factores hacen que los procesos de fabricación aditiva sean atractivos para el desarrollo de grandes familias de componentes metálicos para aplicaciones tanto de lanzadores como de satélites.

A día de hoy, ya se pueden encontrar en modelos de aviación comercial los primeros ejemplos de piezas plásticas y metálicas, estructurales y no estructurales, fabricadas por FA. Aunque la aplicación en el sector aeronáutico quede más restringida que en el espacial, dado los requerimientos funcionales y mecánicos son limitados en ambos casos. El empleo de componentes fabricados por tecnología aditiva en aplicaciones aeronáuticas tiene como aspecto limitante la resistencia ante cargas dinámicas cíclicas que provoquen un fallo por fatiga del material. Esto es debido, además de la porosidad interna del componente, al acabado superficial resultante del proceso de fabricación.

La FA ha encontrado en el sector aeroespacial uno de sus más importantes ámbitos de aplicación, ya que las posibilidades de optimización estructural, reducción de peso e integración de funcionalidades que ofrece, permiten responder de manera directa al principal reto social del sector: la reducción de peso en las aeronaves como elemento clave para alcanzar una reducción drástica de las emisiones contaminantes de gases de efecto invernadero producidas, siendo una de las vías de desarrollo el diseño de componentes altamente optimizados y aligerados. No obstante, estos componentes estructurales fabricados mediante tecnología aditiva tienen geometrías cada vez más complejas debido a la previa optimización topológica que garantiza su correcto funcionamiento con el mínimo peso, lo cual conlleva una mayor dificultad en la inspección externa con técnicas tradicionales de ensayos no destructivos (END) que permiten garantizar su rendimiento a lo largo de su vida útil.

La reducción y optimización de componentes suele traer ligado a su vez una reducción de los márgenes de seguridad de estos. Es aquí donde tecnologías de monitorización tienen su aplicación, por doble motivo: el primero conocer el estado del componente en todo momento, el segundo disminuir costes asociados a mantenimiento mediante la investigación de algoritmos predictivos. La fabricación aditiva brinda la oportunidad de integrar tecnologías avanzadas de detección de daños y degradación. Una vía de trabajo en vías de desarrollo es aprovechar la flexibilidad de diseño que ofrece la FA para implementar una estrategia de monitorización de la salud estructural en los componentes, a través de la incorporación de sensores embebidos en la estructura, directamente en las zonas con máximos requerimientos mecánicos, de manera que los componentes se conviertan en elementos activos, con capacidad de ofrecer información de su estado de funcionamiento puntual y acumulado, durante toda su vida de servicio. Aprovechando esta ventaja, es posible diseñar las piezas metálicas a sensorizar con conductos internos, que permitan el rutado de los sensores de fibra óptica en su interior.

Si bien la tecnología de FA ha experimentado un rápido crecimiento en los últimos años, dicho progreso no se ha visto acompañado de desarrollos en el campo de los ensayos no-destructivos (END) con vistas a industrializar el método de END y aplicarlo en altos ratios de producción. En general, el método dominante de END para piezas fabricadas a través de la FA es la tomografía computarizada de rayos X (X ray Computed Tomography, XCT). Actualmente, es el único END que permite la identificación de todos los tipos de defectos que pueden aparecer durante la FA (regiones con falta de fusión, porosidad, grietas, etc., que pueden ubicarse abiertas a la superficie o en el volumen interno), independientemente de la geometría o grosor de los componentes. El modelo 3D resultante del análisis mediante XCT también se puede usar para la validación geométrica del componente a través de comparativa de archivos CAD, ya que proporciona mediciones precisas de las desviaciones de fabricación. Sin embargo, esta tecnología de inspección presenta un alto coste, tiempo de proceso, necesidad de instalaciones específicas y adaptadas, y limitación en cuanto a la inspección de componentes grandes o piezas con múltiples materiales involucrados.

Empresas del sector que utilizan Fabricación Aditiva

En el caso del sector aeroespacial, son numerosas las empresas potencialmente interesadas en las tecnologías de FA, con las grandes empresas tractoras aeronáuticas Airbus y Boeing, así como otras tractoras como Rolls-Royce (originalmente del sector del automóvil, que amplió su negocio en la línea de producción de motores aeronáuticos), y GE Aviation (subsidiaria del grupo General Electric), entre los principales proveedores de motores para aviones. Asimismo, cabe destacar que tanto las Tier 1 del sector, como un gran número de Tier 2, están actualmente implementando las tecnologías de FA, trabajando en el desarrollo y producción de diferentes aplicaciones.

Ejemplo claro de ello se encuentra en el desarrollo de una aleación única de base Al-Mg-Sc desarrollada por el grupo AIRBUS, con nombre comercial Scalmalloy®, diseñado específicamente para procesos de FA. El principal mecanismo de fortalecimiento observado es la sobresaturación de las partículas de Sc, así como la precipitación de la fase Al3-Sc que fija el límite del grano y dificulta el deslizamiento por dislocación, obteniendo un material superplástico [1]. Estos precipitados permiten que la resistencia a tracción y a fatiga del Scalmalloy® supere a otras aleaciones de aluminio hasta en un 70%, obteniendo una resistencia a tracción superior a 520 MPa [2] y con elongaciones del 13%. Además, en comparación con otras aleaciones de aluminio para FA, el Scalmalloy® muestra una elevada resistencia a la corrosión y una microestructura muy estable hasta 250°C, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de aplicaciones de alto rendimiento. Estas excelentes propiedades (principalmente alta resistencia y baja densidad) hacen que, a pesar de que la aleación de Scalmalloy® se diseñó inicialmente para cumplir con los requisitos de aplicaciones aeroespaciales, se pueda utilizar en una amplia gama de aplicaciones de alto rendimiento de diferentes industrias como son la automoción (en intercambiadores de calor) o la robótica (en colectores hidráulicos).

La aleación Scalmalloy® ha despertado gran interés para aplicaciones espaciales, y se ha aplicado Scalmalloy® fabricado por L-PBF en la estructura secundaria (soportes de sensores) de la nave espacial JUpiter Icy Moons Explorer (JUICE), desarrollado por CATEC y CiTD[3] (o para el soporte de mecanismos en la THALES ALENIA SPACE producido por LISI AEROSPACE AM para plataformas SpacebusNeo[4]. Asimismo, en el campo de la aeronáutica se están desarrollando varias aplicaciones con Al-Mg-Sc, como en carenados para una ranura de doble flap en demostradores de aviones regionales, desarrollados por CATEC y AIRBUS dentro del programa Clean Sky 2[5].

Referencias:

• 1. A.B. Spierings, K. Dawson, T. Heeling, F. Palm, K. Wegener, Microstructural features of Sc- and Zr-modified Al-Mg alloys processed by selective laser melting. Mater. Des. 115 (2017), 52–63.
• 2. V.G. Davydov, T.D. Rostova, V.I.; Yelagin, Scientific principles of making an alloying addition of scandium to aluminium alloys. Mater. Sci. Eng. 280 (2000), 30–36.
• 3. F. Lasagni, A Periñán, L. Hernández, C. Galleguillos, J. Santaolaya, D. Hervás, J. Gumpinger, M. Garcia-Cosio, MSE 2020 Conference, 2020.
• 4. S. Begoc, F. Montedron, G. Pommata, G. Leger. M. Gas, S. Eyrignous, 8th EUCASS (2019) 677
• 5. F. Lasagni, J.M. Abellán, A. Periñán, C. Galleguillos, J. Santaolaya, S. González, A. Hernández, J.C. Martin, WerkstoffWoche 2019.