Métodos de fabricación para aeroespacial para prototipos y producción

La industria aeroespacial lleva mucho tiempo a la vanguardia de la innovación en fabricación, ya que las empresas han buscado continuamente métodos de reducción de costes, mejora de la eficiencia, mayor utilización de los equipos, mejora de la rentabilidad y cumplimiento y superación de las expectativas. Las prácticas avanzadas de fabricación han contribuido a mejorar la capacidad de desarrollar prototipos y piezas de producción.

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En 2022, la industria aeroespacial se ha visto impulsada por el aumento de pedidos de aviones y militares y la demanda adicional de viajes aéreos. Aunque los precios del combustible influyen en los viajes aéreos y en los costes generales, el crecimiento de las nuevas tecnologías está mejorando la eficiencia a medida que la industria persigue diseños de productos más eficientes en consumo de combustible y con menos emisiones.

Según las encuestas realizadas a directivos del sector aeroespacial, las perspectivas generales del sector para el próximo año oscilan entre "algo y muy positivas". La agilidad es necesaria para evitar la posible inestabilidad del mercado, y el crecimiento tecnológico se ha situado a la cabeza de las tendencias que se espera que lideren el sector en los próximos años. Además de la necesidad de incorporar más talento a la plantilla, las tendencias del sector aeroespacial incluyen muchos programas de vanguardia que se definen a continuación:

• Impresión 3D - Componente de la fabricación aditiva, la impresión 3D consiste en construir piezas uniendo material capa a capa a partir de un diseño 3D, como un archivo CAD.
• Fabricación aditiva (AM) - El proceso AM crea un objeto añadiendo material. Lo contrario se denomina "fabricación sustractiva", en la que el material se elimina mediante cortes y otros métodos. Esto la diferencia de la impresión 3D, que añade material por capas.
• Inteligencia Artificial (IA) - La IA incluye sistemas o máquinas que imitan la inteligencia humana para realizar tareas y pueden mejorarse a sí mismos de forma iterativa basándose en la información que recopilan.
• Computación en nube - La computación en nube utiliza una red de servidores remotos alojados en Internet para almacenar, gestionar y procesar datos en lugar de un servidor local o un ordenador personal.
• Fabricación de composites - Los composites están formados por dos o más materiales distintos, lo que mejora el rendimiento del producto y reduce los costes de producción. Estos materiales se desarrollan para obtener un rendimiento superior en determinadas aplicaciones específicas.
• Fabricación distribuida (DM) - La DM es una forma de fabricación descentralizada que utiliza una red de fabricantes localizados. Estos fabricantes ofrecen servicios contratados basados en su experiencia en fabricación. Estos servicios se coordinan utilizando tecnologías de la información avanzadas y plataformas en la nube.
• Hilo digital - Un hilo digital es una arquitectura basada en datos que vincula la información generada a partir del ciclo de vida de un producto. Se concibe como la plataforma de datos y comunicación principal o autorizada para los productos de una empresa en un momento dado. 
• Industria 4.0 - La Industria 4.0 es el siguiente paso en la forma en que las empresas fabrican, mejoran y distribuyen sus productos. Los fabricantes están integrando nuevas tecnologías, como Internet de las Cosas (IoT), computación y análisis en la nube, e IA y aprendizaje automático, en sus instalaciones y operaciones de producción.
• Internet de los objetos (IoT) - El Internet de los objetos (IoT) es la red de objetos físicos, "cosas", que disponen de sensores, software y otras tecnologías para conectarse e intercambiar datos con otros dispositivos y sistemas a través de Internet.
• Fábrica inteligente - La fábrica inteligente es una red interconectada de máquinas, mecanismos de comunicación y potencia informática que constituye un sistema ciberfísico. Este sistema utiliza tecnologías avanzadas como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático para analizar datos, impulsar procesos automatizados y aprender a mejorar continuamente.
• Aprendizaje automático - El aprendizaje automático es el uso y desarrollo de sistemas informáticos que pueden aprender y adaptarse sin seguir instrucciones explícitas, utilizando algoritmos y modelos estadísticos para analizar y extraer conclusiones a partir de patrones en los datos.
• Cadena de suministro - Las actividades implicadas en el suministro de un producto a través de todas las etapas, desde la materia prima hasta los productos acabados. 
• Sostenibilidad - La sostenibilidad consiste en satisfacer las necesidades de las generaciones actuales sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras, garantizando al mismo tiempo un equilibrio entre el crecimiento económico, el cuidado del medio ambiente y el bienestar social.

Las tecnologías digitales y los métodos de fabricación de vanguardia han supuesto una ventaja para la fabricación aeroespacial. La confianza de las empresas aeroespaciales en estas tecnologías aumentará a medida que sigan racionalizando el diseño y el desarrollo de productos. El aprovisionamiento debe continuar su transición hacia proveedores regionales y servicios de fabricación distribuidos para ahorrar tiempo y dinero y mejorar la calidad. El sector también busca nuevas tecnologías de propulsión, como el hidrógeno y los modelos híbridos. Las energías renovables también son una tendencia actual en la industria aeroespacial. 

Las tecnologías de fabricación aditiva han desempeñado un papel decisivo en estas tendencias de la industria y continúan su rápido crecimiento con materiales de nueva ingeniería. Las tres tecnologías clave son la impresión 3D, la fabricación de composites y otras tecnologías de fabricación aditiva (AM).

Entre ellas están la fusión de lechos de polvo, el material y binder jetting, la polimerización en cuba, la deposición directa de energía y la extrusión de material.

Estas tecnologías han despegado debido a la fragilidad de la cadena de suministro mundial y a la capacidad de las tecnologías de fabricación aditiva. Estas cuestiones han sido críticas cuando las empresas requieren formas más ágiles de desarrollar, abastecerse y construir productos.

De 2010 a 2020, el mercado de la fabricación aditiva se duplicó, y se prevé que aumente más de un 20% anual de 2022 a 2028. Se espera que la industria siga desarrollando nuevos materiales composite e integrando y desarrollando tecnologías de fabricación avanzadas. La industria aeroespacial sigue persiguiendo productos de dimensiones más grandes y más pequeñas, la consecución de la producción en volumen y la fabricación de productos complejos que antes eran un ensamblaje de muchas piezas.

Las tecnologías aditivas permiten la creación rápida de prototipos para agilizar la evaluación y las pruebas de nuevos productos y materiales. Los productos se diseñan y evalúan rápidamente en función de sus características de rendimiento cuando se combinan con software de simulación. Este potente software optimiza complejos diseños de productos en horas en lugar de semanas.

El software de simulación evalúa el rendimiento del material en la oficina. Los materiales que fallan pueden sustituirse fácilmente por otros superiores. El diseño del producto se mejora rápidamente para obtener diseños más ligeros y robustos con características de rendimiento extraordinarias.

Estas complejas simulaciones pueden predecir la microestructura del producto, los defectos de las piezas y las características de rendimiento, y guiar al diseñador en la optimización del proceso. Al evitar esta pérdida de tiempo, se evita la producción de chatarra, se puede aprovechar mejor el equipo y se acelera el plazo de comercialización.

La industria aeroespacial no necesita grandes volúmenes de fabricación como los productores de materias primas.

Con la producción bajo demanda, se reducen los inventarios, así como los costes de almacenamiento y depósito. El ahorro puede acumularse rápidamente en el caso de componentes aeroespaciales caros. La producción bajo demanda es ideal para las tecnologías aditivas, que a menudo requieren la reducción de piezas y peso y la creación rápida de prototipos.

Cuando se considera el uso de materiales caros en aplicaciones aeroespaciales, la fabricación aditiva tiene una ventaja significativa sobre las tecnologías de fabricación sustractiva, en las que una gran parte del material mecanizado son residuos. La industria aeroespacial valora mucho la reducción del peso de los componentes. Esto se traduce en menos combustible o más autonomía para la nave. La fabricación aditiva puede tomar varios componentes y desarrollar un único artículo reduciendo el peso y manteniendo la resistencia y el rendimiento generales.   

Recientemente se han desarrollado modelos de fabricación híbridos para el sector aeroespacial y otras industrias. El modelo híbrido combina equipos de fabricación sustractiva con equipos de fabricación aditiva. Esto puede incluir el acabado posterior al proceso, la perforación de orificios extremadamente precisos u otros procesos de fabricación sustractiva.

El desarrollo de las tecnologías de aditivos metálicos ha sido un factor importante en el crecimiento del sector de la fabricación aditiva en general. Procesos aditivos como el sinterizado de metales por láser dirigido (DMLS), la fusión de lechos de polvo por láser (L-PBF), la fusión de lechos de polvo por haz de electrones (EB-PBF) y la deposición de Energía Dirigida (DED) crean piezas con metales. El proceso fabrica piezas de aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, superaleaciones de hierro, aleaciones de níquel, metales preciosos, metales refractarios, aleaciones de titanio, etc.

Otros materiales para aplicaciones únicas no metálicas son el boro, la fibra de carbono y el caucho de silicona líquida. Entre los nuevos materiales se encuentran los metamateriales, una nueva clase de materiales de rendimiento específico con propiedades que no se encuentran en los materiales naturales. Los tubos de escape de los aviones pueden utilizar metamateriales para reducir el ruido.

Dado que los productos aeroespaciales se utilizan en entornos exigentes y peligrosos, los productos deben superar los requisitos de rendimiento de los productos estándar. Los productos acabados se someten a pruebas para garantizar el cumplimiento de los requisitos de calidad y la certificación. Esto incluye a menudo máquinas de medición de coordenadas (MMC), tomografía computerizada, análisis de rayos X, pruebas de rendimiento y métodos de ensayo destructivos. La trazabilidad de los lotes y los registros exhaustivos son necesarios en caso de fallo del producto. La mayoría de los productos requieren certificaciones de materiales y datos de pruebas.

Las certificaciones industriales ayudan a las empresas a identificar a los fabricantes que cumplen las rigurosas normas de calidad de la industria aeroespacial. Las certificaciones más importantes para las empresas aeroespaciales y de defensa incluyen AS9100D, C y B, ISO-9001:2015, AS-5553 e ITAR. AS9100 D es la versión ISO-9001 de los requisitos de calidad para el sector aeroespacial y fue desarrollada por la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE) y la Asociación Europea de Industrias Aeroespaciales (EAAI). AS9100 D es la norma de calidad aeroespacial.

AS9100 se refiere al mantenimiento y reparación de aeronaves. AS9100 B se refiere al almacenamiento y distribución de piezas de aeronaves. AS -5553 es la norma aeroespacial para la prevención y el uso de piezas falsificadas. ITAR (International Traffic in Arms Regulations) es específico de la industria de defensa y regula las exportaciones supervisadas por el Departamento de Estado de Estados Unidos (DOS). La fabricación de cualquier artículo destinado a aplicaciones finales militares o relacionadas con la defensa requiere el cumplimiento de la normativa ITAR. Estas certificaciones son necesarias para operar en la industria aeroespacial.

Las piezas de fabricación aditiva también requieren certificaciones de diferentes organismos como la Administración Federal de Aviación (FAA), la Agencia Espacial Europea (ESA), la Dirección General de Aviación Civil (DGAC), el Centro de Aeronavegabilidad y Certificación Militar (CEMILAC), etc. Estas agencias comprueban los factores que influyen en la calidad del producto y el control del proceso. Estas agencias buscan datos sobre las propiedades de resistencia de los materiales, pruebas, rendimiento, control de procesos y trazabilidad de los lotes.