La industria de la construcción naval recurre a la impresión 3D para acelerar el ritmo

ARLINGTON, Va. – El equipo de construcción de portaaviones en Newport News Shipbuilding de HII enfrentó una fecha límite clave en marzo de 2022.

El equipo estaba encargado de mover un bloque de la quilla del futuro Enterprise que pesaba cientos de toneladas al dique seco.

Los constructores navales equipan estas piezas, conocidas como superelevadores, en la plataforma de ensamblaje final en el muelle, instalando las tuberías y el cableado en estos enormes bloques de Lego y luego elevándolos con una grúa hasta su lugar en el dique seco.

Pero un solo componente amenazaba con desbaratar esta compleja actividad, dijo recientemente a los periodistas Brian Fields, vicepresidente de Enterprise y del barco hermano Doris Miller.

En noviembre de 2021, el equipo se enteró de que una pieza de metal fundido, un componente crítico pero sensible que Fields se negó a nombrar, no estaría disponible hasta finales de junio o principios de julio.

"Necesitaba poner ese enorme superelevador en el dique seco", dijo. “Era una pieza y tenía que instalarla en la plataforma de montaje final”.

Esperar e instalarlo más tarde “habría sido significativamente arriesgado y habría tenido un gran impacto en los costos”, agregó Fields.

En lugar de elegir entre un retraso en el cronograma o el gasto adicional, el constructor naval y la Armada trabajaron juntos para diseñar, calificar e imprimir en 3D la pieza en solo cuatro meses, cumpliendo con la fecha límite del superlift de marzo.

Aunque la circunstancia fue inusual, la Marina y sus proveedores esperan que algún día sea el procedimiento predeterminado, en lugar del anticuado procedimiento de fundición.

Altos funcionarios de la Armada han señalado repetidamente los desafíos en la base industrial de submarinos en particular, así como en su base industrial de portaaviones y buques de superficie. El número de proveedores está disminuyendo, aunque el servicio quisiera aumentar su ritmo de producción.

En el caso de los submarinos de ataque clase Virginia, por ejemplo, las preocupaciones sobre la base industrial son la única razón por la que el gobierno no está aumentando su tasa de adquisiciones de dos por año a tres.

Matt Sermon, director ejecutivo de la Oficina Ejecutiva del Programa de Submarinos Estratégicos que supervisa los problemas de las bases industriales de los submarinos, dijo que la Marina no está buscando la fabricación aditiva como una novedad, sino que "hacemos esto porque tenemos que hacerlo".

Es "el camino" para llegar a tiempo a la construcción y reparación de submarinos, añadió.

Sermon dijo el 30 de enero en una conferencia de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Navales que la base industrial es la que más lucha para mantenerse al día con la capacidad requerida de piezas y componentes de metal pesado. Estos incluyen piezas fundidas, forjadas, válvulas, accesorios y sujetadores.

De hecho, dijo, la Marina examinó 5.500 piezas que han presentado desafíos de cronograma para nuevas construcciones y disponibilidad de mantenimiento para submarinos y barcos; Seis materiales representan el 70% de los retrasos en las entregas, afirmó. La fabricación aditiva podría llevar más de estas piezas a los astilleros de construcción y reparación de forma más rápida y fiable.

Estas piezas siempre han sido un desafío para la base industrial, ya que la metalurgia fundamental es compleja y puede provocar fallas. Pero hoy hay menos empresas que fabrican estos componentes que en décadas pasadas, y esa base más pequeña está luchando por mantenerse al día con la creciente demanda.

La Armada ha desarrollado un plan para madurar los metales, las máquinas de impresión y los procesos asociados con esos seis materiales este año, de modo que para marzo de 2024 puedan imprimirse en volumen y colocarse en submarinos, dijo Sermon.

El vicealmirante Bill Galinis, comandante del Comando de Sistemas Marítimos Navales, dijo a Defense News el 12 de enero que NAVSEA está trabajando con sus centros de guerra y con el Programa de Propulsión Nuclear Naval para mejorar la comprensión y la comodidad del servicio marítimo con la tecnología y los procesos de fabricación aditiva.

"No tenemos ese proceso completamente maduro hasta el punto en que podamos escalar la fabricación aditiva como creo que necesitamos", dijo. "Podemos fabricar piezas únicas y, francamente, incluso para un componente de reactor, hemos construido algunas piezas bastante complejas mediante fabricación aditiva, pero no hemos llegado al punto en el que sea escalable".

La construcción de submarinos de misiles balísticos clase Columbia ya ha comenzado, pero seguirá creciendo en los próximos años, a pesar de que la base industrial ya está luchando con la carga de trabajo actual. Galinis dijo que la fabricación aditiva como alternativa a las piezas fundidas y forjadas ayudará a la industria a mantener el programa de Columbia dentro del cronograma y a que el programa de la clase Virginia vuelva a encarrilarse.

“Lo que le gustaría poder hacer es identificar piezas de gran volumen y de alto uso, y tiene una capacidad de impresión que le permite imprimirlas con bastante regularidad. Hay elementos de la industria privada que han hecho algo de eso”, dijo. "Nuestro desafío en este momento es, primero, superar rápidamente el proceso de certificación, codificar cómo será y luego poder escalar la fabricación aditiva".

Eso es exactamente lo que Fields intenta hacer en Newport News.

Dijo que las piezas fundidas son particularmente difíciles para el astillero y que hay una larga lista de piezas de metal fundido que está luchando por conseguir a tiempo y en buena calidad.

Fields dijo que la empresa puede realizar la fundición del metal, pero una vez que los empleados comienzan a mecanizarlo hasta darle la forma correcta, cualquier defecto en el metal requiere reparación mediante soldadura o un reinicio de toda la pieza. Estos defectos no siempre son visibles desde el principio, por lo que volver a fundir una pieza puede ser una sorpresa desagradable para el calendario de construcción del barco.

"Todos nuestros proveedores están luchando para conseguir piezas fundidas a tiempo para cumplir con el cronograma del envío", dijo. "La calidad a la primera es mucho mejor que la de una pieza impresa en 3D y el coste es significativamente menor".

Usó un colector JP-5 como ejemplo. Esta pieza ayuda a mover el combustible para aviones alrededor del portaaviones e incluye una pieza de metal fundido con bridas fabricadas en los extremos.

“Es realmente difícil hacerlos correctamente. Tengo 28 de ellos ahora mismo que estoy esperando que hayan sido moldeados, y cada vez que los hidrolizas, se convierten en aspersores porque es difícil hacer bien el moldeado. Y ahora los estamos reparando con soldadura”, dijo Fields. "Ese ejemplo de todo el tiempo y dinero invertido tratando de conseguirme esas piezas para poder instalarlas en el barco a tiempo es donde veo que la impresión 3D realmente puede mover la aguja".

Sermon dijo que la fabricación aditiva podría acortar el cronograma de producción de ciertas piezas de metal en un promedio del 80%, dependiendo de la eficiencia de la impresora.

El bombero Dalton Garret, asignado al Departamento de Ingeniería del buque de asalto anfibio clase Wasp USS Bataan (LHD 5), produce un borrador asistido por computadora para un proyecto de impresión tridimensional, el 16 de noviembre de 2022. (MC2 Matthew Brown/US Navy)

HII firmó un acuerdo en 2017 con 3D Systems, especialista en fabricación aditiva, para ayudar a explorar posibles oportunidades de impresión en Newport News para la construcción y reparación de portaaviones y submarinos.

Mike Shepard, vicepresidente de aeroespacial y defensa de 3D Systems, dijo a Defense News que si bien la compañía tiene sus propios centros de impresión, el objetivo no es imprimir piezas para Newport News Shipbuilding sino ayudar a la compañía a integrar tecnología de impresión de vanguardia. en sus procesos.

La particular aleación de cobre y níquel de 3D Systems es un área de colaboración entre las dos empresas en la actualidad. Los métodos tradicionales como la fundición y la forja pueden crear defectos en las piezas de cobre-níquel que ralentizan la producción.

Con el proceso de impresión directa de metal de 3D Systems, “obtenemos mejores propiedades que las piezas forjadas o fundidas convencionales. No tenemos ninguno de los problemas de porosidad con el enfoque [de impresión]. Eso significa que somos competitivos en costos con la fundición y tenemos un plazo de entrega mucho menor”, ​​dijo Shepard.

Shepard añadió que el volumen de piezas que 3D Systems está ayudando a imprimir en Newport News está creciendo, "pero sólo estamos rozando la superficie de la oportunidad general".

Para el director de ingeniería marítima de Sermon y Naval Sea Systems Command, Doug Arnold, este tipo de colaboraciones industriales ayudan a adaptar las nuevas tecnologías a las brechas en la capacidad industrial, pero la Marina necesita garantizar que se apliquen sus rigurosos estándares de ingeniería.

Sermon dijo que la comunidad de la aviación y el mundo académico ya han invertido en importantes investigaciones sobre la fabricación aditiva con ciertos metales y, en esos casos, la Marina puede avanzar con bastante rapidez. Pero en metales específicamente destinados a aplicaciones navales, incluidos el cobre-níquel y algunas aleaciones de acero, se necesita más investigación sobre lo que sucede cuando estos materiales se utilizan para imprimir, en particular cómo afecta las propiedades de fatiga y corrosión de los metales.

Arnold dijo que la Marina y los proveedores podrían comenzar a usar estos materiales para imprimir componentes donde estas propiedades de segundo y tercer orden no sean tan relevantes (usando cobre-níquel para componentes no expuestos al agua y donde la corrosión no sea una gran preocupación) para aprenda lecciones sobre la impresión de componentes de bajo riesgo y gane tiempo para que los investigadores comprendan mejor los detalles más finos del uso de estos metales en la fabricación aditiva.

Fields dijo que HII debe tener especial cuidado con las piezas que se utilizan en los submarinos, debido a los requisitos técnicos adicionales.

Pero, dijo, la Armada y sus socios industriales necesitan encontrar un camino a seguir si quieren continuar o aumentar la tasa de producción de submarinos actual.

“Una de las presiones para que se rompa la presa es que el cliente al final grita 'Necesito esto'. Así que creo que eso está empezando a acelerarse”, considerando las piezas impresas para submarinos, dijo Fields.

Megan Eckstein es reportera de guerra naval en Defense News. Ha cubierto noticias militares desde 2009, centrándose en las operaciones, programas de adquisiciones y presupuestos de la Armada y el Cuerpo de Marines de los EE. UU. Ha informado sobre cuatro flotas geográficas y se siente más feliz cuando presenta historias desde un barco. Megan es alumna de la Universidad de Maryland.