Argumentos a favor de una alternativa a la fabricación aditiva: lo viejo vuelve a ser nuevo

En 2018, el gigante aeroespacial Lockheed Martin Corp. fue noticia con el anuncio de que había completado un tanque de combustible de alta presión de 46" (1,16 m) de diámetro compuesto por dos tapas de extremo en forma de cúpula, impresas en 3D, soldadas a un tubo tubular fabricado tradicionalmente. Según se informa, la decisión de imprimir las cúpulas redujo el tiempo de entrega de dos años a sólo tres meses.

Lockheed no está ni mucho menos sola. Launcher Inc. imprime habitualmente tanques, cámaras de combustión y otros componentes de cohetes, algunos a partir de una aleación patentada de cobre, cromo y circonio. SpaceX imprime en 3D piezas de materiales igualmente desafiantes para su motor Raptor, mientras que la NASA, Rocket Lab, Orbex y Ursa Major utilizan la fabricación aditiva de metal (AM) para producir de todo, desde conos de nariz hasta boquillas de motor. En marzo, Relativity Space los superó a todos al enviar al espacio el primer cohete completamente impreso en 3D.

Todos citan los menores costos de fabricación, la disminución del número de piezas y la capacidad de iterar rápidamente como los principales impulsores de su decisión de adoptar la fabricación aditiva. La tecnología no existía cuando Estados Unidos lanzó su primer transbordador espacial y apenas se estaba generalizando en la última misión.

Parece que la industria aeroespacial (entre otras) se está volviendo loca con la fabricación aditiva de metales. Y por una buena razón. Con una inversión mínima en herramientas y una libertad de diseño prácticamente ilimitada, este recién llegado a la industria manufacturera está demostrando ser una alternativa formidable y flexible a los procesos tradicionales como el mecanizado, la fundición y el moldeo por inyección de metal.

Pero no es el único juego de fabricación que existe. Lejos de ahi. De hecho, sostengo que si Lockheed Martin hubiera utilizado un proceso diferente, mucho más maduro, los componentes habrían contado con mejores propiedades metalúrgicas que las obtenidas con la impresión 3D, y el ensamblaje final habría necesitado una unión soldada menos. Si bien habría habido algunos gastos en herramientas y un tiempo de entrega más prolongado para el desarrollo del proceso con este enfoque alternativo, ambos serían mínimos.

¿Qué es este proceso milagroso? Algunos podrían conocerlo como “hilado”, una tecnología de trabajo de metales empleada hace miles de años por los antiguos egipcios. En aquellos tiempos, se colocaba un disco de metal sobre un mandril de madera giratorio y se aplicaba presión con una “paleta” o herramienta similar sin filo, forzando gradualmente a la pieza de trabajo a tomar la forma del mandril. El resultado, al menos en aquella época, eran cuencos, jarrones y objetos ornamentales fuertes y de formas consistentes.

Ese proceso básico todavía está en uso, aunque, como todo lo demás en la fabricación, el hilado avanzado ahora se realiza en equipos controlados por computadora. Y aunque en muchos casos todavía se utilizan mandriles, ahora están hechos de acero mecanizado en un torno CNC. También es posible eliminar el mandril trazando las superficies internas y externas incluso de geometrías muy complejas con una serie de rodillos de acero endurecido, algo parecido a usar los dedos y un torno de alfarero para formar un hermoso jarrón con un trozo de arcilla.

Cuando se combina con una aplicación de calor precisa, un monitoreo electrónico de la fuerza y ​​un software CAM avanzado, el término más preciso para lo que ahora es una tecnología de trabajo de metales muy madura y altamente predecible es simplemente este: conformación por flujo, también conocida como hilado o conformación por giro.

Existen muchos sabores. Conformación por flujo de cono, conformación por cizallamiento, conformación por cizallamiento, conformación por flujo de tubo, conformación por flujo de forja: estos son algunos de los términos utilizados para diferenciar las técnicas utilizadas para "fluir" un disco de chapa metálica, una placa cortada con llama o una pieza en bruto forjada. en un objeto cilíndrico, hueco, típicamente de paredes delgadas, cuyo tamaño varía desde aproximadamente una pulgada de diámetro hasta varios metros en cada dirección, uno con alta precisión dimensional, excelente calidad de superficie y robustas propiedades mecánicas.

Hay muchas técnicas y muchos nombres, pero por ahora los agruparemos todos bajo el término general "conformado avanzado de metales". Es un proceso rápido y sin virutas que se utiliza para producir todo tipo de tubos, conos, revestimientos, cilindros y mucho más, muchos de ellos cerrados en un extremo, a partir de una variedad de materiales, cada uno con los atributos descritos y entregados de manera rápida y rentable.

¿Cuales son esos materiales? Los antiguos egipcios se quedaron con el cobre por su gran maleabilidad, y si bien sigue siendo un material de pieza de trabajo común hoy en día, desde entonces se le han unido el aluminio, los aceros inoxidables de la serie 300 y PH, las superaleaciones a base de níquel, los aceros martensíticos e incluso metales endurecibles como los de herramientas. aceros. Los tanques de combustible de titanio mencionados al principio son muy moldeables por flujo, al igual que los diversos componentes del cohete hechos de aleaciones exóticas de cobre y cromo que actualmente se encuentran en alguna plataforma de lanzamiento.

Metal AM es una excelente opción para muchos componentes con limitaciones espaciales. Sí, los polvos y las materias primas de alambre son relativamente caros, pero este desafortunado detalle se compensa con el hecho de que hay pocos desperdicios en cualquier proceso de impresión. Generalmente se requiere mecanizado, lo que limita parte de la libertad de diseño “ilimitada” de AM, aunque mucho menos que si las piezas estuvieran hechas de palanquilla o material fundido. Y al eliminar la mayoría de los accesorios, herramientas de corte y múltiples operaciones, la FA en metal es más rápida y rentable que los procesos de fabricación tradicionales.

Lo que nos lleva de nuevo al comentario del “espacio en blanco falsificado”. Las propiedades metalúrgicas de cualquier pieza fabricada mediante fusión láser-cama de polvo o DED son similares a las de una pieza soldada o de fundición a presión. La AM también está sujeta a efectos de vacíos, deformaciones y capas, razón por la cual normalmente se requiere una costosa exploración por TC para la certificación, especialmente en componentes críticos para el vuelo.

Esta es la razón por la que los fabricantes aeroespaciales deberían examinar de cerca el conformado avanzado de metales. En comparación con las piezas fundidas y soldadas, produce una alineación y densidad de grano superiores, especialmente cuando el proceso comienza con una pieza en bruto que ha sido forjada rotativamente. Sin entrar en detalles aquí, diremos que las piezas resultantes son más fuertes y duraderas que las alternativas (impresas en 3D y de otro tipo) y son ideales para cúpulas, ojivas, tanques de combustible, cámaras de combustión y componentes similares de cohetes axialmente simétricos.

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