Stampa 3D del settore aerospaziale

La stampa 3D, o produzione additiva, è una tecnica di produzione che crea un oggetto tridimensionale a partire da un file di progettazione assistita da computer (CAD). Il termine comprende diversi processi, che prevedono il deposito di uno o più materiali - nella maggior parte dei casi plastica, metallo, cera o materiali compositi - strato per strato per costruire una forma.

L'intero processo è controllato dal computer, il che rende la stampa 3D un metodo economico, efficiente e preciso per creare oggetti di qualsiasi geometria o complessità. Oggi la stampa 3D è utilizzata in tutti i settori industriali per produrre qualsiasi cosa, dai prototipi, agli strumenti e alle maschere, fino ai componenti e alle parti destinate all'uso finale.

Le stampanti 3D sono disponibili in varie dimensioni, da quelle sufficientemente piccole da essere posizionate su un banco di lavoro alle macchine industriali di grande formato.

Le stampanti di grandi dimensioni possono produrre oggetti più grandi, ma le macchine occupano più spazio e sono significativamente più costose rispetto alle stampanti da banco. La realizzazione di una stampa di successo è inoltre più complessa nelle macchine di grande formato, a causa del volume di materiale e dei tempi di stampa necessari.

La tecnologia di stampa 3D aiuta l'industria aerospaziale in sette modi chiave:

• Razionalizza e semplificazione del flusso di lavoro di progettazione
• Produce parti più leggere e resistenti 
• Consolida più parti in un unico pezzo
• Riduce al minimo lo spreco di materie prime estremamente costose
• Accelera il time to market
• Migliora l'efficienza dei costi e delle risorse
• Ottimizza l'inventario e la logistica

L'industria aerospaziale è stata tra le prime ad abbracciare la stampa 3D alla fine degli anni '80 e continua a contribuire in modo determinante al suo continuo sviluppo e alla sua adozione.

I produttori e i fornitori di aeromobili sono tra i maggiori utilizzatori della stampa 3D. Tutti i principali costruttori di aerei commerciali (Airbus, Boeing, Bombardier ed Embraer) e i fornitori di motori (GE Aviation, Pratt & Whitney, Rolls-Royce e Safran) hanno adottato la stampa 3D nei loro processi. Molti hanno persino unità aziendali dedicate a lavorare e sviluppare ulteriormente l'hardware, il software, i materiali e i casi d'uso della stampa 3D.

Nonostante abbia 40 anni, è solo di recente che la stampa 3D è passata da un uso di nicchia a uno più mainstream. Oggi, esempi di stampa 3D aerospaziale si trovano in ogni fase della produzione, dalla ricerca e sviluppo (R&S) alla produzione, fino alle parti finali e alla manutenzione.

Questo vale per molti settori, ma in particolare per quelli strettamente legati all'aerospazio, come la difesa, lo spazio e l'automotive, dove il peso è un fattore critico per le prestazioni.

La stampa 3D aerospaziale è ideale per le esigenze dell'industria grazie a:

• volumi di produzione relativamente bassi
• geometrie complesse delle parti
• richiesta di parti più leggere ed efficienti
• necessità di efficienza dei processi e dei costi per rispettare i tempi di consegna più impegnativi

La famiglia E-Jet E2 è un aereo a medio raggio sviluppato dal costruttore brasiliano Embraer. L'E2 è entrato in servizio nell'aprile 2018 e succede all'E-Jet originale. 

All'inizio del programma E2 è stata utilizzata la termoplastica, uno dei materiali di stampa 3D più comuni nel settore aerospaziale, per sostituire i processi manuali e dispendiosi in termini di tempo con cui venivano prodotte le parti e gli utensili. 

Oggi, quelle stesse parti richiedono il 50% in meno di tempo per essere prodotte e generano il 65% in meno di rifiuti. Il risultato è una parte migliore, più leggera e più sostenibile, che costa meno ed è più veloce da produrre.

La stampa 3D aerospaziale viene utilizzata per costruire 37 parti interne delle E2. Tra questi, le griglie dell'aria condizionata, le unità di protezione dei cablaggi, le flange delle toilette di aspirazione e i condotti dell'aria, oltre a elementi di attrezzaggio e maschere. Embraer utilizza la stampa 3D anche per testare parti di prova, dai portabicchieri ai bordi d'attacco delle ali.

L'azienda produce attualmente circa 1.800 pezzi all'anno con la stampa 3D per il programma E2 e i suoi ingegneri stanno lavorando per sviluppare parti metalliche stampate in 3D. I loro studi hanno identificato diversi componenti metallici per i quali la stampa 3D aerospaziale può generare un risparmio di tempo, peso, costi e ambiente simile e potenzialmente ancora più elevato rispetto al materiale termoplastico.

Secondo un portavoce dell'azienda, le potenziali applicazioni della stampa 3D aerospaziale sono "enormi": Embraer ne sta valutando l'efficacia su un'ampia gamma di articoli, tra cui la cellula, i sistemi idraulici, elettrici e di condizionamento dell'aria, i carrelli di atterraggio, gli interni, i prototipi funzionali e gli utensili, per citarne alcuni.

Le quattro applicazioni più comuni della stampa 3D nel settore aerospaziale sono:

PROTOTIPAZIONE

La prototipazione è una fase cruciale del processo di sviluppo del prodotto. Per quanto siano validi gli strumenti di progettazione digitale, non è ancora possibile sostituire la presa in mano e la visione di un oggetto fisico.

Un modello in fase iniziale permette al team di ingegneri di vedere l'aspetto e la sensazione di un prodotto. Permette di vedere come i diversi componenti si relazionano tra loro e di valutare se il prodotto funziona correttamente e soddisfa le specifiche di progetto.

Un tempo i prototipi venivano realizzati a mano o con stampi che dovevano essere progettati e prodotti, spesso da un'azienda esterna. Si trattava di un'operazione costosa che poteva richiedere settimane o addirittura mesi.

La stampa 3D accorcia il ciclo di sviluppo del prodotto, consentendo agli ingegneri aerospaziali di progettare e stampare i prototipi in una frazione del tempo necessario per i metodi di produzione tradizionali.

La riduzione del periodo che intercorre tra i perfezionamenti della progettazione consente di condurre un maggior numero di test nello stesso tempo o in tempi più brevi e aiuta a evidenziare prima i potenziali problemi. Ciò consente alle aziende aerospaziali di accelerare il time to market e di rimanere in testa alla concorrenza.

UTENSILI, MASCHERE E ATTREZZATURE

Un'area di produzione in cui la stampa 3D aerospaziale si sta rivelando particolarmente vantaggiosa è la creazione di utensili, maschere e attrezzature rapide a basso costo. Gli aerei contengono milioni di componenti e sottogruppi separati, molti dei quali sono complessi e devono essere montati con precisione sulla cellula (la struttura meccanica di base di un aereo).

A tal fine sono necessarie centinaia di maschere di produzione, dispositivi, guide e sagome specifiche per ogni aeroplano. La stampa 3D di questi elementi in loco o nelle immediate vicinanze può consentire un notevole risparmio di tempo e di costi, tra il 60% e il 90%, rispetto alle tecniche di produzione convenzionali.

PARTI DI PRODUZIONE

Esistono due categorie principali di parti di produzione stampate in 3D utilizzate nel settore aerospaziale:

Parti interne dell'aeromobile - come condotti d'aria, pannelli a parete, pezzi di rifinitura, coprisedili, schienali, maniglie, dispositivi di illuminazione e accessori per la cabina. Le parti interne rappresentano attualmente la maggior parte delle parti stampate in 3D in volo, poiché sono classificate come non critiche o poco critiche per il volo. Ciò rende relativamente semplice ottenere la certificazione da parte delle autorità dell'aviazione civile. Tuttavia, le parti interne sono spesso visibili ai passeggeri e potrebbero dover interagire con esse. Ciò richiede che siano non solo funzionali ma anche esteticamente gradevoli.
Parti meccaniche dell'aeromobile - come gli ugelli del carburante, le staffe di montaggio, le traverse, i profili aerodinamici, i portelli e gli alloggiamenti. Le sollecitazioni meccaniche e termiche a cui sono sottoposte queste parti, soprattutto quelle associate ai motori, fanno sì che siano solitamente realizzate in un metallo come il titanio o l'alluminio.
Finora solo pochi componenti hanno ottenuto lo status di sicurezza di volo, poiché il processo di approvazione è più rigoroso per i componenti critici per il volo. Questo numero è in costante aumento grazie alla continua ricerca di nuovi materiali e processi e al fatto che le autorità di regolamentazione e i produttori si stanno abituando alla tecnologia di stampa 3D.

RICAMBI E RIPARAZIONI DI MANUTENZIONE

La manutenzione, riparazione e revisione (MRO) è una parte vitale dell'industria aerospaziale. Il termine comprende tutte le attività di assistenza e ispezione intraprese per garantire che un aeromobile possa operare in sicurezza.  

Un aeromobile diventa generatore di reddito quando è in volo. Ridurre al minimo il "tempo a terra" è quindi fondamentale per i fornitori di servizi di manutenzione. A tal fine è necessario avere il pezzo giusto nel posto giusto con un ritardo minimo.

L'industria aerospaziale ha una delle catene di fornitura più lunghe di qualsiasi altro settore. Avere i pezzi disponibili quando servono porta le aziende ad accumulare grandi quantità di componenti nei magazzini con costi considerevoli. 

La velocità, la flessibilità e l'efficienza della stampa 3D aerospaziale consentono ai produttori di produrre parti di ricambio su richiesta. Ciò è drasticamente più rapido ed economico rispetto all'ordinazione attraverso i canali di fornitura standard, con l'ulteriore vantaggio di parti personalizzate adatte allo scopo. Questo non solo contribuisce a ottimizzare i livelli di inventario, ma elimina anche la necessità di mantenere strutture di stoccaggio. Inoltre, gli ingegneri possono prendere componenti difficili da ottenere o obsoleti e riprogettarli per la stampa 3D. In questo modo si possono ottenere risparmi in termini di tempo, costi e manodopera, oltre a parti più leggere e con prestazioni migliori.

La disponibilità di parti di ricambio può fare la differenza tra il funzionamento o l'impossibilità di volare di un aereo. Poiché un aereo medio contiene milioni di componenti, garantire una fornitura sicura di parti di ricambio nel corso dei 30 anni di vita operativa di un velivolo può rivelarsi difficile.

Satair, un'azienda di componenti e servizi per aerei con sede in Danimarca e filiale di Airbus, ha utilizzato la stampa 3D in metallo per risolvere il problema. Nel 2020, l'azienda ha fornito a una delle sue compagnie aeree clienti negli Stati Uniti il primo pezzo di ricambio volante certificato in metallo stampato in 3D.

Il pezzo specifico non era più in produzione presso il fornitore originale, ma la riprogettazione del pezzo da produrre con metodi di produzione convenzionali come la lavorazione meccanica si è rivelata troppo costosa e troppo lunga.

Utilizzando un nuovo processo di certificazione, Satair è stata in grado di ricertificare il vecchio pezzo fuso in cinque settimane e di adattarlo al titanio, un materiale di produzione additiva qualificato per l'aviazione.

Quattro parti (un set completo per un aeromobile) vengono stampate simultaneamente, il che richiede 26 ore, riducendo così il costo e il tempo di stampa per parte. Dopo la stampa, la parte viene sottoposta a post-elaborazione per diventare idonea al volo, diventando così un sostituto uno-a-uno del componente originale e rispettando gli stessi requisiti di sicurezza.

Nel complesso, la stampa 3D aerospaziale ha garantito una maggiore flessibilità, tempi di consegna più brevi e un mezzo di produzione più economico. Inoltre, si prevede che i tempi di certificazione scenderanno da cinque settimane a cinque settimane, man mano che la tecnologia verrà adottata su larga scala.

I miglioramenti nelle dimensioni delle stampanti industriali, la velocità di stampa e la maggiore flessibilità del design e dei materiali stanno contribuendo a rendere la stampa 3D un metodo di produzione più praticabile, soprattutto per i volumi di produzione medio-bassi di articoli di alto valore e geometricamente complessi.   

Di conseguenza, stanno emergendo continuamente nuove applicazioni per la stampa 3D aerospaziale. Tra le aree che si prevede vedranno una crescita considerevole nei prossimi cinque-dieci anni vi sono: 

AVIAZIONE VERDE

L'industria aerospaziale, come ogni altro settore, è sottoposta a pressioni per diventare più sostenibile. Un chiaro vantaggio offerto dalla stampa 3D riguarda il lightweighting, un termine che descrive l'utilizzo di parti più leggere per ridurre il peso totale di un veicolo e quindi il consumo di carburante. Una riduzione di peso del 20% in un aereo commerciale genererà, ad esempio, un miglioramento del 10% circa nell'efficienza del carburante.

In questo modo, la stampa 3D aerospaziale contribuisce a produrre aerei più leggeri e più veloci, in grado di volare più lontano con la stessa quantità di carburante. La tecnologia elimina anche le emissioni di carbonio generate dalla necessità di spedire i pezzi in tutto il mondo. Al contrario, le aziende possono inviare istantaneamente i file CAD alle stampanti di tutto il mondo.

Inoltre, le stampanti 3D riducono drasticamente la perdita di materiale durante il processo di produzione rispetto alla lavorazione meccanica, che può portare via fino al 98% di un blocco di metallo.

Un aspetto strettamente legato alla sostenibilità dell'industria aerospaziale è l'introduzione di aerei a batteria. Questo sviluppo ha suscitato grande attenzione sia da parte delle start-up sia da parte di leader affermati come Airbus e Rolls-Royce.

Le parti leggere stampate in 3D possono contribuire a compensare il peso aggiunto delle batterie e a ridurre il peso complessivo del velivolo, contribuendo ad aumentare l'autonomia massima potenziale.

PICCOLI AEREI

Tutti i vantaggi che la stampa 3D aerospaziale offre agli aerei passeggeri si applicano anche ai velivoli più piccoli, come satelliti, razzi spaziali, veicoli aerei senza equipaggio (UAV) e droni.

I produttori di piccoli velivoli si rivolgono sempre più spesso alla stampa 3D piuttosto che ai metodi di produzione convenzionali per soddisfare una domanda in crescita.

Negli ultimi anni, ad esempio, l'uso dei droni è salito alle stelle. Si prevede che il mercato raggiungerà oltre 60 miliardi di dollari entro il 2025, rispetto ai meno di 5 miliardi di dollari del 2018.

Grazie alla stampa 3D, i droni stanno diventando più leggeri, più veloci, più flessibili e in grado di svolgere una gamma più ampia di applicazioni. Inoltre, consente di personalizzare in modo rapido, semplice e conveniente i progetti dei droni in base alle aspettative e ai requisiti specifici dei clienti. 

ALI STAMPATE IN 3D

Le ali sono una parte fondamentale di un aereo, ma presentano diverse sfide di produzione. Sono una delle strutture aeronautiche più complesse dal punto di vista tecnico e le loro grandi dimensioni le rendono difficili da manovrare in fabbrica e da lavorare.

In diversi Paesi sono in corso prove per verificare se la stampa 3D aerospaziale può produrre componenti alari più leggeri che possono essere utilizzati per costruire una struttura alare più aerodinamica a costi di produzione inferiori. Tali innovazioni contribuirebbero ad aumentare l'efficienza del carburante e a ridurre i costi.

Un team di ingegneri della NASA e del MIT ha costruito e testato un tipo di ala di aereo "radicalmente" nuovo, composto da centinaia di triangoli identici di montanti simili a fiammiferi. Questi minuscoli sottoinsiemi sono avvitati insieme per formare una struttura reticolare aperta e leggera che viene poi ricoperta da un sottile strato di polimero.

Secondo i ricercatori, l'ala risultante è molto più leggera e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai progetti convenzionali, sia in metallo che in materiali compositi. L'innovazione potrebbe dare un notevole impulso alla produzione, al volo e alla manutenzione degli aerei e potrebbe avere altre applicazioni, come le pale alari delle turbine eoliche.

MANCANZA DI FAMILIARITÀ

Nonostante la crescente diffusione, la stampa 3D aerospaziale non è ancora onnipresente, sicuramente al di fuori della prototipazione. Il momento potrebbe arrivare, forse prima del previsto, ma per ora la tecnologia rimane sconosciuta a molte aziende.

La complessità e i rigorosi standard inerenti alla produzione di parti per il settore aerospaziale fanno sì che la sostituzione della collaudata lavorazione tradizionale con qualcosa di nuovo comporti un livello di rischio con cui alcuni consigli di amministrazione non si sentono a proprio agio.

GRANDI VOLUMI

In molti casi, la stampa 3D aerospaziale può produrre un singolo pezzo o un piccolo lotto di pezzi in modo più rapido ed efficiente rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Tuttavia, ogni macchina può stampare solo un certo numero di oggetti alla volta, a seconda delle dimensioni della macchina e dell'oggetto, quindi potrebbe non essere il metodo più adatto o conveniente per grandi produzioni.

DIMENSIONE DEI PEZZI

Le stampanti 3D hanno vincoli dimensionali intrinseci che le rendono incapaci di produrre componenti di grandi dimensioni. In alcuni casi, è possibile unire più parti più piccole, anche se questa non è sempre la soluzione ideale.

I produttori di stampanti 3D stanno lavorando per risolvere i limiti dimensionali delle macchine esistenti, ad esempio stampando in un ambiente aperto senza le barriere presenti nelle tipiche camere di stampa.

QUALITÀ INCOERENTE

Le stampanti 3D non sono ancora in grado di stampare sempre risultati perfetti. I tassi di fallimento dipendono dalla macchina, dal materiale utilizzato e dall'oggetto stampato. Inoltre, la rimozione di irregolarità superficiali o texture può richiedere ulteriori fasi di lavorazione manuale per ottenere la finitura desiderata.

I tassi di errore e la post-elaborazione probabilmente si ridurranno con il miglioramento delle stampanti 3D e con l'aumento della familiarità con questa tecnologia.