Metodi di fabbricazione dell'aerospazio per la prototipazione e la produzione

L'industria aerospaziale è stata a lungo all'avanguardia nell'innovazione della produzione, in quanto le aziende hanno continuamente perseguito metodi di riduzione dei costi, miglioramento dell'efficienza, aumento dell'utilizzo delle attrezzature, aumento della redditività e soddisfazione e superamento delle aspettative. Le pratiche di produzione avanzate hanno contribuito a far progredire la capacità di sviluppare prototipi e parti di produzione.

Questo articolo tratta dei metodi di fabbricazione dell'aerospazio per la prototipazione e la produzione, del processo di pre-produzione e prototipazione, dei metodi, della produzione, dei materiali e della qualità.

Nel 2022, l'industria aerospaziale è stata sostenuta dall'aumento degli ordini di aeromobili e militari e dalla maggiore domanda di viaggi aerei. Sebbene i prezzi del carburante incidano sui viaggi aerei e sui costi complessivi, la crescita delle nuove tecnologie sta migliorando l'efficienza, in quanto l'industria persegue progetti di prodotti più efficienti dal punto di vista del carburante e a basse emissioni.

In base ai sondaggi condotti tra i dirigenti del settore aerospaziale, le prospettive generali per il prossimo anno vanno da "leggermente a molto positive". L'agilità è necessaria per evitare la potenziale instabilità del mercato e la crescita tecnologica è in prima linea tra le tendenze che si prevede guideranno il settore nei prossimi anni. Oltre alla necessità di aggiungere nuovi talenti alla forza lavoro, le tendenze del settore aerospaziale includono molti programmi all'avanguardia, definiti di seguito:

• Stampa 3D - Componente della fabbricazione additiva, la stampa 3D consiste nel costruire parti unendo materiale strato per strato a partire da un progetto 3D come un file CAD.
• Fabbricazione additiva (AM) - Il processo AM crea un oggetto aggiungendo materiale. L'opposto è chiamato "produzione sottrattiva", in cui il materiale viene rimosso tramite taglio e altri metodi. Si differenzia dalla stampa 3D, che aggiunge materiale per strati.
• Intelligenza artificiale (AI) - L'AI comprende sistemi o macchine che imitano l'intelligenza umana per eseguire compiti e possono migliorarsi iterativamente in base alle informazioni raccolte.
• Cloud Computing - Il cloud computing utilizza una rete di server remoti ospitati su Internet per archiviare, gestire ed elaborare i dati, anziché un server locale o un personal computer.
• Produzione di compositi - I compositi sono costituiti da due o più materiali distinti, che migliorano le prestazioni del prodotto e riducono i costi di produzione. Questi materiali sono sviluppati per ottenere prestazioni superiori in determinate applicazioni specifiche.
• Produzione distribuita (DM) - La DM è una forma di produzione decentralizzata che utilizza una rete di produttori localizzati. Questi produttori offrono servizi a contratto in base alle loro competenze produttive. Questi servizi sono coordinati utilizzando tecnologie informatiche avanzate e piattaforme cloud.
• Filo digitale - Un filo digitale è un'architettura guidata dai dati che collega le informazioni generate dal ciclo di vita di un prodotto. È concepito come la piattaforma primaria o autorevole di dati e comunicazioni per i prodotti di un'azienda in qualsiasi momento. 
• Industria 4.0 - L'Industria 4.0 è il prossimo passo nel modo in cui le aziende producono, migliorano e distribuiscono i loro prodotti. I produttori stanno integrando nuove tecnologie, tra cui l'Internet degli oggetti (IoT), il cloud computing e l'analisi, l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, nelle loro strutture e operazioni di produzione.
• Internet degli oggetti (IoT) - L'Internet degli oggetti (IoT) è la rete di oggetti fisici, "cose", che dispongono di sensori, software e altre tecnologie per connettersi e scambiare dati con altri dispositivi e sistemi tramite Internet.
• Fabbrica intelligente - La fabbrica intelligente è una rete interconnessa di macchine, meccanismi di comunicazione e potenza di calcolo che comprende un sistema cyber-fisico. Questo sistema utilizza tecnologie avanzate come l'intelligenza artificiale (AI) e l'apprendimento automatico per analizzare i dati, guidare i processi automatizzati e imparare a migliorare continuamente.
• Machine Learning - L'apprendimento automatico è l'uso e lo sviluppo di sistemi informatici in grado di apprendere e adattarsi senza seguire istruzioni esplicite, utilizzando algoritmi e modelli statistici per analizzare e trarre inferenze da modelli nei dati.
• Supply Chain - Le attività coinvolte nella fornitura di un prodotto in tutte le sue fasi, dalle materie prime ai prodotti finiti. 
• Sostenibilità - La sostenibilità consiste nel soddisfare le esigenze delle generazioni attuali senza compromettere quelle delle generazioni future, garantendo un equilibrio tra crescita economica, tutela dell'ambiente e benessere sociale.

Le tecnologie digitali e i metodi di fabbricazione all'avanguardia hanno rappresentato un vantaggio per la produzione aerospaziale. Il ricorso a queste tecnologie da parte delle aziende aerospaziali è destinato ad aumentare, in quanto continuano a semplificare la progettazione e lo sviluppo dei prodotti. L'approvvigionamento dovrebbe continuare a orientarsi verso fornitori regionali e servizi di produzione distribuiti per risparmiare tempo e denaro e migliorare la qualità. L'industria sta inoltre perseguendo nuove tecnologie di propulsione, tra cui l'idrogeno e i modelli ibridi. Anche le energie rinnovabili sono una tendenza in atto nell'industria aerospaziale. 

Le tecnologie di fabbricazione additiva sono state determinanti per queste tendenze del settore e continuano la loro rapida crescita con materiali di nuova concezione. Le tre tecnologie chiave sono la stampa 3D, la produzione di compositi e altre tecnologie di fabbricazione additiva (AM).

Queste includono: fusione a letto di polvere, getto di materiale e legante, polimerizzazione in vasca, deposizione diretta di energia ed estrusione di materiale.

Queste tecnologie sono decollate a causa della fragilità della catena di fornitura globale e della capacità delle tecnologie di fabbricazione additiva. Questi aspetti sono stati critici quando le aziende hanno richiesto modalità più agili di sviluppo, approvvigionamento e costruzione dei prodotti.

Dal 2010 al 2020, il mercato della fabbricazione additiva è raddoppiato e si prevede un aumento di oltre il 20% annuo dal 2022 al 2028. Si prevede che il settore continuerà a sviluppare nuovi materiali compositi e a integrare e sviluppare tecnologie di produzione avanzate. L'industria aerospaziale continua a perseguire prodotti più grandi e più piccoli dal punto di vista dimensionale, il raggiungimento della produzione in volumi e la fabbricazione di prodotti complessi che un tempo erano un assemblaggio di molte parti.

Le tecnologie additive consentono la prototipazione rapida per accelerare la valutazione e la sperimentazione di nuovi prodotti e materiali. In combinazione con il software di simulazione, i prodotti vengono progettati e valutati rapidamente per le loro caratteristiche prestazionali. Questo potente software ottimizza i progetti di prodotti complessi in poche ore invece che in settimane.

Il software di simulazione valuta le prestazioni dei materiali in ufficio. I materiali che si guastano possono essere facilmente sostituiti con altri di qualità superiore. Il progetto del prodotto viene rapidamente migliorato per ottenere progetti più leggeri e robusti con caratteristiche prestazionali eccezionali.

Queste complesse simulazioni sono in grado di prevedere la microstruttura del prodotto, i difetti dei pezzi e le caratteristiche prestazionali, guidando il progettista nell'ottimizzazione del processo. Evitando queste perdite di tempo, si evita la produzione di scarti, si possono utilizzare al meglio le attrezzature e si accelera il time to market.

L'industria aerospaziale non richiede la produzione di grandi volumi come i produttori di materie prime.

Con la produzione on-demand, le scorte si riducono, così come i costi di stoccaggio e di magazzino. Con i componenti aerospaziali costosi, i risparmi si accumulano rapidamente. La produzione on-demand è ideale per le tecnologie additive, che spesso richiedono una riduzione dei pezzi e del peso e una prototipazione rapida.

Se si considera l'uso di materiali costosi nelle applicazioni aerospaziali, la fabbricazione additiva presenta un vantaggio significativo rispetto alle tecnologie di produzione sottrattiva, dove gran parte del materiale lavorato è uno scarto. L'industria aerospaziale attribuisce grande importanza alla riduzione del peso dei componenti. Ciò si traduce in una minore quantità di carburante o in una maggiore autonomia del mezzo. La fabbricazione additiva può prendere diversi componenti e sviluppare un singolo elemento, riducendo il peso e mantenendo la resistenza e le prestazioni complessive.   

Recentemente sono stati sviluppati modelli di produzione ibridi per il settore aerospaziale e per altre industrie. Il modello ibrido combina attrezzature per la fabbricazione sottrattiva con attrezzature per la fabbricazione additiva. Ciò può includere la finitura post-elaborazione, la realizzazione di fori estremamente precisi o altri processi di produzione sottrattiva.

Lo sviluppo delle tecnologie additive per i metalli è stato un fattore significativo nella crescita dell'intero settore della fabbricazione additiva. I processi additivi come la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), la fusione laser a letto di polvere (L-PBF), la fusione a letto di polvere a fascio di elettroni (EB-PBF) e la deposizione diretta di energia (DED) creano pezzi con metalli. I processi producono pezzi in leghe di alluminio, leghe di rame, superleghe di ferro, leghe di nichel, metalli preziosi, metalli refrattari, leghe di titanio e altro ancora.

Altri materiali per applicazioni uniche non metalliche sono il boro, la fibra di carbonio e la gomma siliconica liquida. I nuovi materiali includono i metamateriali, una nuova classe di materiali specifici per le prestazioni con proprietà non presenti nei materiali naturali. Gli scarichi degli aerei possono utilizzare i metamateriali per i sistemi di scarico per ridurre il rumore.

Poiché i prodotti aerospaziali vengono utilizzati in ambienti difficili e pericolosi, devono superare i requisiti prestazionali dei prodotti standard. I prodotti finiti vengono sottoposti a test per garantire la conformità e la certificazione della qualità. Spesso si tratta di macchine di misura a coordinate (CMM), tomografia computerizzata, analisi a raggi X, test delle prestazioni e metodi di prova distruttivi. La tracciabilità dei lotti e i registri completi sono necessari in caso di guasto del prodotto. Per la maggior parte dei prodotti sono richieste certificazioni dei materiali e dati sui test di prodotto.

Le certificazioni industriali aiutano le aziende a identificare i produttori che soddisfano i rigorosi standard di qualità dell'industria aerospaziale. Le certificazioni più importanti per le aziende del settore aerospaziale e della difesa includono AS9100D, C e B, ISO-9001:2015, AS-5553 e ITAR. AS9100 D è la versione ISO-9001 dei requisiti di qualità per il settore aerospaziale ed è stata sviluppata dalla Society of Automotive Engineers (SAE) e dalla European Association of Aerospace Industries (EAAI). AS9100 D è lo standard di qualità aerospaziale.

AS9100 si riferisce alla manutenzione e alle riparazioni degli aeromobili. AS9100 B riguarda lo stoccaggio e la distribuzione di parti di aeromobili. AS -5553 è lo standard aerospaziale per la prevenzione e l'uso di parti contraffatte. L'ITAR (International Traffic in Arms Regulations) è specifico per il settore della difesa e regolamenta le esportazioni sotto la supervisione del Dipartimento di Stato degli Stati Uniti (DOS). La produzione di articoli destinati ad applicazioni finali legate alla difesa o militari richiede la conformità all'ITAR. Queste certificazioni sono necessarie per operare nel settore aerospaziale.

Le parti di fabbricazione additiva richiedono anche certificazioni da parte di diverse agenzie come la Federal Aviation Administration (FAA), l'Agenzia Spaziale Europea (ESA), la Direzione Generale dell'Aviazione Civile (DGCA), il Centro per l'Aeronavigabilità Militare e la Certificazione (CEMILAC), ecc. Queste agenzie verificano i fattori che influenzano la qualità del prodotto e il controllo del processo. Queste agenzie ricercano i dati relativi alle proprietà di resistenza dei materiali, ai test, alle prestazioni, al controllo dei processi e alla tracciabilità dei lotti.