Según SmarTech, una consultora de tecnología de fabricación, la industria aeroespacial es la segunda más importante que utiliza la fabricación aditiva (FA), solo superada por la medicina. Sin embargo, aún existe un desconocimiento del potencial de la fabricación aditiva de materiales cerámicos para la producción rápida de componentes aeroespaciales, así como de su mayor flexibilidad y rentabilidad. La FA permite producir piezas cerámicas más resistentes y ligeras de forma más rápida y sostenible, reduciendo los costes laborales, minimizando el ensamblaje manual y mejorando la eficiencia y el rendimiento mediante el diseño basado en modelos, lo que reduce el peso de la aeronave. Además, la tecnología de fabricación aditiva de cerámica proporciona un control dimensional preciso de las piezas terminadas, incluso con características inferiores a 100 micras.
Sin embargo, la palabra cerámica puede evocar la idea errónea de fragilidad. De hecho, la cerámica fabricada mediante manufactura aditiva produce piezas más ligeras y finas con gran resistencia estructural, tenacidad y resistencia a un amplio rango de temperaturas. Las empresas con visión de futuro están recurriendo a la fabricación de componentes cerámicos, como boquillas y hélices, aisladores eléctricos y álabes de turbina.
Por ejemplo, la alúmina de alta pureza posee una elevada dureza, una fuerte resistencia a la corrosión y un amplio rango de temperaturas. Los componentes fabricados con alúmina también son aislantes eléctricos a las altas temperaturas habituales en los sistemas aeroespaciales.
Las cerámicas a base de circonia pueden satisfacer numerosas aplicaciones con requisitos de materiales extremos y alta tensión mecánica, como el moldeo de metales de alta gama, válvulas y cojinetes. Las cerámicas de nitruro de silicio poseen alta resistencia, gran tenacidad y excelente resistencia al choque térmico, así como buena resistencia química a la corrosión por diversos ácidos, álcalis y metales fundidos. El nitruro de silicio se utiliza en aislantes, impulsores y antenas de baja constante dieléctrica para altas temperaturas.
Las cerámicas compuestas ofrecen varias cualidades deseables. Las cerámicas a base de silicio, con adición de alúmina y circonio, han demostrado un excelente rendimiento en la fabricación de piezas monocristalinas para álabes de turbina. Esto se debe a que el núcleo cerámico de este material presenta una dilatación térmica muy baja hasta 1500 °C, alta porosidad, excelente calidad superficial y buena lixiviación. La impresión de estos núcleos permite crear diseños de turbinas capaces de soportar temperaturas de funcionamiento más elevadas y aumentar la eficiencia del motor.
Es bien sabido que el moldeo por inyección o el mecanizado de cerámica es muy difícil, y el mecanizado ofrece un acceso limitado a los componentes que se fabrican. Además, las características como las paredes delgadas son difíciles de mecanizar.
Sin embargo, Lithoz utiliza la fabricación de cerámica basada en litografía (LCM) para fabricar componentes cerámicos 3D precisos y de formas complejas.
Partiendo del modelo CAD, las especificaciones detalladas se transfieren digitalmente a la impresora 3D. A continuación, se aplica el polvo cerámico formulado con precisión sobre la parte superior de la cubeta transparente. La plataforma de construcción móvil se sumerge en el lodo y se expone selectivamente a la luz visible desde abajo. La imagen de la capa se genera mediante un dispositivo de micromirrores digitales (DMD) acoplado al sistema de proyección. Repitiendo este proceso, se puede generar una pieza verde tridimensional capa a capa. Tras el postratamiento térmico, se elimina el aglutinante y las piezas verdes se sinterizan —combinadas mediante un proceso de calentamiento especial— para producir una pieza cerámica completamente densa con excelentes propiedades mecánicas y calidad superficial.
La tecnología LCM proporciona un proceso innovador, rentable y más rápido para la fundición a la cera perdida de componentes de motores de turbina, evitando la costosa y laboriosa fabricación de moldes necesaria para el moldeo por inyección y la fundición a la cera perdida.
La tecnología LCM también permite lograr diseños que no se pueden conseguir con otros métodos, utilizando mucha menos materia prima que estos.
A pesar del gran potencial de los materiales cerámicos y la tecnología LCM, todavía existe una brecha entre los fabricantes de equipos originales (OEM) de fabricación aditiva y los diseñadores aeroespaciales.
Una de las razones podría ser la resistencia a los nuevos métodos de fabricación en industrias con requisitos de seguridad y calidad particularmente estrictos. La fabricación aeroespacial requiere numerosos procesos de verificación y cualificación, así como pruebas exhaustivas y rigurosas.
Otro obstáculo reside en la creencia de que la impresión 3D solo es adecuada para la creación rápida de prototipos de un solo uso, y no para aplicaciones prácticas. Sin embargo, esto es un error, ya que se ha demostrado que los componentes cerámicos impresos en 3D pueden utilizarse en la producción en masa.
Un ejemplo es la fabricación de álabes de turbina, donde el proceso cerámico AM produce núcleos monocristalinos (SX), así como álabes de superaleación mediante solidificación direccional (DS) y fundición equiaxial (EX). Se pueden producir núcleos con estructuras ramificadas complejas, múltiples paredes y bordes de salida de menos de 200 μm de forma rápida y económica, y los componentes finales presentan una precisión dimensional uniforme y un excelente acabado superficial.
Mejorar la comunicación puede unir a diseñadores aeroespaciales y fabricantes de equipos originales de fabricación aditiva, y generar plena confianza en los componentes cerámicos fabricados mediante LCM y otras tecnologías. La tecnología y la experiencia existen. Es necesario cambiar la mentalidad respecto a la fabricación aditiva, pasando de considerarla exclusivamente para I+D y creación de prototipos, a verla como el camino a seguir para aplicaciones comerciales a gran escala.
Además de la formación, las empresas aeroespaciales también pueden invertir tiempo en personal, ingeniería y ensayos. Los fabricantes deben familiarizarse con los distintos estándares y métodos para evaluar la cerámica, no los metales. Por ejemplo, los dos estándares ASTM clave de Lithoz para cerámica estructural son ASTM C1161 para ensayos de resistencia y ASTM C1421 para ensayos de tenacidad. Estos estándares se aplican a la cerámica producida mediante cualquier método. En la fabricación aditiva de cerámica, la etapa de impresión es simplemente un método de conformado, y las piezas se someten al mismo tipo de sinterización que la cerámica tradicional. Por lo tanto, la microestructura de las piezas cerámicas será muy similar a la del mecanizado convencional.
Gracias al continuo avance de los materiales y la tecnología, podemos afirmar con seguridad que los diseñadores dispondrán de más datos. Se desarrollarán nuevos materiales cerámicos, personalizados según las necesidades específicas de cada proyecto de ingeniería. Las piezas fabricadas con cerámica mediante fabricación aditiva superarán el proceso de certificación para su uso en la industria aeroespacial. Además, contarán con mejores herramientas de diseño, como software de modelado mejorado.
Al colaborar con expertos técnicos de LCM, las empresas aeroespaciales pueden implementar internamente procesos de fabricación aditiva de cerámica, lo que reduce los tiempos y los costos, y genera oportunidades para el desarrollo de su propia propiedad intelectual. Con visión de futuro y una planificación a largo plazo, las empresas aeroespaciales que invierten en tecnología cerámica pueden obtener beneficios significativos en toda su cartera de producción durante los próximos diez años y más allá.
Mediante la creación de una alianza con AM Ceramics, los fabricantes de equipos originales del sector aeroespacial producirán componentes que antes eran inimaginables.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Shawn Allan hablará sobre las dificultades de comunicar eficazmente las ventajas de la fabricación aditiva de cerámica en la Ceramics Expo que se celebrará en Cleveland, Ohio, el 1 de septiembre de 2021.
Si bien el desarrollo de sistemas de vuelo hipersónicos existe desde hace décadas, ahora se ha convertido en la máxima prioridad de la defensa nacional estadounidense, lo que ha impulsado un rápido crecimiento y transformación en este campo. Al tratarse de un campo multidisciplinario único, el reto consiste en encontrar expertos con las habilidades necesarias para promover su desarrollo. Sin embargo, la escasez de expertos genera una brecha de innovación, como por ejemplo, priorizar el diseño para la fabricación (DFM) en la fase de I+D, para luego convertirla en una brecha de fabricación cuando ya es demasiado tarde para realizar cambios rentables.
Las alianzas, como la recién creada Alianza Universitaria para la Hipersónica Aplicada (UCAH), proporcionan un entorno importante para cultivar el talento necesario para el avance del campo. Los estudiantes pueden trabajar directamente con investigadores universitarios y profesionales de la industria para desarrollar tecnología e impulsar la investigación hipersónica crucial.
Si bien UCAH y otros consorcios de defensa autorizaron a sus miembros a participar en una variedad de trabajos de ingeniería, es necesario seguir trabajando para cultivar talentos diversos y experimentados, desde el diseño hasta el desarrollo y la selección de materiales, pasando por los talleres de fabricación.
Para aportar un valor más duradero en este campo, la alianza universitaria debe priorizar el desarrollo de la fuerza laboral, alineándose con las necesidades de la industria, involucrando a sus miembros en investigaciones pertinentes al sector e invirtiendo en el programa.
Al transformar la tecnología hipersónica en proyectos de fabricación a gran escala, la actual escasez de mano de obra cualificada en ingeniería y fabricación representa el mayor desafío. Si la investigación inicial no logra superar este obstáculo crucial —la brecha entre la I+D y la fabricación—, y dado que muchos proyectos ambiciosos han fracasado, habremos perdido una solución viable y aplicable.
La industria manufacturera estadounidense puede acelerar a un ritmo vertiginoso, pero el riesgo de quedarse atrás radica en la necesidad de ampliar la plantilla para igualar ese ritmo. Por lo tanto, el gobierno y los consorcios de desarrollo universitario deben cooperar con los fabricantes para poner en práctica estos planes.
La industria ha experimentado carencias de personal cualificado, desde talleres de fabricación hasta laboratorios de ingeniería; estas carencias no harán sino agravarse a medida que crezca el mercado hipersónico. Las tecnologías emergentes requieren una fuerza laboral en constante desarrollo para ampliar el conocimiento en este campo.
El trabajo hipersónico abarca diversas áreas clave que involucran distintos materiales y estructuras, y cada área presenta sus propios desafíos técnicos. Requieren un alto nivel de conocimiento especializado, y si no se cuenta con la experiencia necesaria, esto puede generar obstáculos para el desarrollo y la producción. Si no disponemos del personal suficiente para mantener el trabajo, será imposible satisfacer la demanda de producción a alta velocidad.
Por ejemplo, necesitamos personas capaces de fabricar el producto final. UCAH y otros consorcios son fundamentales para promover la manufactura moderna y garantizar la inclusión de estudiantes interesados ​​en este sector. Mediante iniciativas interdisciplinarias de desarrollo de personal, la industria podrá mantener una ventaja competitiva en los planes de vuelo hipersónico en los próximos años.
Al establecer UCAH, el Departamento de Defensa crea una oportunidad para adoptar un enfoque más específico en el desarrollo de capacidades en esta área. Todos los miembros de la coalición deben colaborar para capacitar a los estudiantes en las habilidades especializadas, de modo que podamos impulsar y mantener el dinamismo de la investigación y expandirla para obtener los resultados que nuestro país necesita.
La Alianza de Materiales Compuestos Avanzados de la NASA, ahora disuelta, es un ejemplo de una iniciativa exitosa para el desarrollo de la fuerza laboral. Su eficacia radica en la combinación de la investigación y el desarrollo con los intereses de la industria, lo que permite que la innovación se extienda por todo el ecosistema de desarrollo. Los líderes de la industria han colaborado directamente con la NASA y las universidades en proyectos durante dos a cuatro años. Todos los miembros han adquirido conocimientos y experiencia profesionales, aprendido a cooperar en un entorno no competitivo y formado a estudiantes universitarios para que, a su vez, formen a futuros actores clave de la industria.
Este tipo de desarrollo de la fuerza laboral cubre las carencias del sector y ofrece oportunidades para que las pequeñas empresas innoven rápidamente y diversifiquen el campo para lograr un mayor crecimiento, lo que contribuye a las iniciativas de seguridad nacional y económica de Estados Unidos.
Las alianzas universitarias, incluida la de UCAH, son activos importantes en el campo hipersónico y la industria de defensa. Si bien su investigación ha impulsado innovaciones emergentes, su mayor valor reside en su capacidad para formar a la próxima generación de profesionales. El consorcio debe ahora priorizar la inversión en estos planes. De esta manera, contribuirá al éxito a largo plazo de la innovación hipersónica.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Los fabricantes de productos complejos y de alta ingeniería (como los componentes de aeronaves) están comprometidos con la perfección en todo momento. No hay margen de error.
Debido a la extrema complejidad de la producción aeronáutica, los fabricantes deben gestionar meticulosamente el proceso de calidad, prestando gran atención a cada paso. Esto requiere un profundo conocimiento de cómo gestionar y adaptarse a los desafíos dinámicos de la producción, la calidad, la seguridad y la cadena de suministro, cumpliendo al mismo tiempo con los requisitos normativos.
Debido a que muchos factores influyen en la entrega de productos de alta calidad, resulta difícil gestionar pedidos de producción complejos y en constante cambio. El proceso de calidad debe ser dinámico en todos los aspectos: inspección, diseño, producción y pruebas. Gracias a las estrategias de la Industria 4.0 y a las soluciones de fabricación modernas, estos desafíos de calidad son ahora más fáciles de gestionar y superar.
Tradicionalmente, la producción aeronáutica se ha centrado en los materiales. La mayoría de los problemas de calidad suelen deberse a fracturas frágiles, corrosión, fatiga del metal u otros factores. Sin embargo, la producción aeronáutica actual incorpora tecnologías avanzadas y de alta ingeniería que utilizan materiales resistentes. La creación de productos emplea procesos y sistemas electrónicos altamente especializados y complejos. Es posible que las soluciones de software de gestión de operaciones convencionales ya no sean suficientes para resolver problemas extremadamente complejos.
Las piezas más complejas pueden adquirirse a través de la cadena de suministro global, por lo que es necesario prestar mayor atención a su integración a lo largo del proceso de ensamblaje. La incertidumbre plantea nuevos desafíos para la visibilidad de la cadena de suministro y la gestión de la calidad. Garantizar la calidad de tantas piezas y productos terminados requiere métodos de calidad mejores y más integrados.
La Industria 4.0 representa el desarrollo del sector manufacturero, y se requieren tecnologías cada vez más avanzadas para cumplir con los estrictos requisitos de calidad. Entre las tecnologías de apoyo se incluyen el Internet industrial de las cosas (IIoT), los hilos digitales, la realidad aumentada (RA) y el análisis predictivo.
Calidad 4.0 describe un método de calidad de procesos de producción basado en datos que abarca productos, procesos, planificación, cumplimiento y estándares. Se basa en los métodos de calidad tradicionales, en lugar de reemplazarlos, utilizando muchas de las mismas tecnologías que sus homólogos industriales, como el aprendizaje automático, los dispositivos conectados, la computación en la nube y los gemelos digitales, para transformar el flujo de trabajo de la organización y eliminar posibles defectos en productos o procesos. Se espera que la aparición de Calidad 4.0 transforme aún más la cultura laboral al aumentar la dependencia de los datos y una mayor integración de la calidad en el método general de creación de productos.
Calidad 4.0 integra aspectos operativos y de aseguramiento de la calidad (AC) desde la fase inicial hasta la de diseño. Esto incluye la conceptualización y el diseño de productos. Los resultados de encuestas recientes del sector indican que la mayoría de los mercados no cuentan con un proceso automatizado de transferencia de diseño. El proceso manual da lugar a errores, ya sean internos o relacionados con la comunicación del diseño y los cambios a la cadena de suministro.
Además del diseño, Quality 4.0 utiliza el aprendizaje automático centrado en procesos para reducir el desperdicio, minimizar las repeticiones de trabajo y optimizar los parámetros de producción. Asimismo, resuelve problemas de rendimiento del producto tras la entrega, utiliza la retroalimentación in situ para actualizar el software del producto de forma remota, mantiene la satisfacción del cliente y, en definitiva, garantiza la fidelización. Se está convirtiendo en un socio indispensable de la Industria 4.0.
Sin embargo, la calidad no se limita a determinados eslabones de la cadena de producción. La inclusividad de la Calidad 4.0 permite inculcar un enfoque integral de la calidad en las organizaciones manufactureras, convirtiendo el poder transformador de los datos en parte fundamental del pensamiento corporativo. El cumplimiento normativo en todos los niveles de la organización contribuye a la formación de una cultura de calidad global.
Ningún proceso de producción puede funcionar a la perfección el 100% del tiempo. Las condiciones cambiantes provocan imprevistos que requieren medidas correctivas. Quienes tienen experiencia en calidad comprenden que todo se basa en el proceso de búsqueda de la perfección. ¿Cómo se garantiza que la calidad se incorpore al proceso para detectar problemas lo antes posible? ¿Qué se hará al encontrar el defecto? ¿Existen factores externos que puedan estar causando este problema? ¿Qué cambios se pueden realizar en el plan de inspección o en el procedimiento de prueba para evitar que este problema se repita?
Establezca una mentalidad que reconozca que cada proceso de producción tiene un proceso de calidad asociado. Imagine un futuro donde exista una relación directa entre los procesos y la calidad, y donde se mida constantemente. Independientemente de los imprevistos, se puede alcanzar la calidad perfecta. Cada centro de trabajo revisa diariamente los indicadores y los indicadores clave de rendimiento (KPI) para identificar áreas de mejora antes de que surjan problemas.
En este sistema de circuito cerrado, cada proceso de producción cuenta con un sistema de control de calidad que proporciona retroalimentación para detener el proceso, permitir que continúe o realizar ajustes en tiempo real. El sistema no se ve afectado por la fatiga ni por errores humanos. Un sistema de calidad de circuito cerrado diseñado para la producción aeronáutica es esencial para alcanzar niveles de calidad superiores, reducir los tiempos de ciclo y garantizar el cumplimiento de las normas AS9100.
Hace diez años, la idea de centrar el control de calidad en el diseño del producto, la investigación de mercado, los proveedores, los servicios del producto u otros factores que afectan la satisfacción del cliente era impensable. Se entiende que el diseño del producto proviene de una autoridad superior; la calidad consiste en ejecutar esos diseños en la línea de montaje, independientemente de sus deficiencias.
Hoy en día, muchas empresas están replanteándose su modelo de negocio. El statu quo de 2018 podría ser inviable. Cada vez más fabricantes se vuelven más innovadores. Disponen de mayor conocimiento, lo que se traduce en una mejor capacidad para desarrollar el producto adecuado desde el primer momento, con mayor eficiencia y rendimiento.