El primer componente de titanio de fabricación generativa a bordo del Airbus A350 XWB

Los elementos de unión denominados brackets, utilizados en el Airbus A350 XWB, fueron nominados finalistas del premio alemán a la innovación empresarial de 2014 (‘Innovationspreis der deutschen Wirtschaft 2014’). Según la opinión del jurado, esta innovación interdisciplinaria ha revolucionado el modo de fabricar elementos de construcción aeronáutica y de crear las ‘construcciones ligeras’ de aviones civiles. Hasta la fecha, los componentes eran meras piezas fresadas de aluminio (Al), ahora son piezas impresas de titanio (Ti) con una reducción de peso >30%.

Soporte de cabina ‘bracket’ del Airbus A350 XWB en titanio, fabricado mediante el proceso LaserCusing. Foto: Airbus.

La libertad geométrica y la reducción del peso son argumentos a favor de la aplicación de la fundición láser con metales en la construcción de elementos aeronáuticos. El enfoque de ‘construcción ligera’ está pensado para conseguir que las compañías aéreas puedan operar sus aviones de manera más económica. En el caso de los elementos de sujeción (brackets), la reducción de peso que se puede conseguir se traduce en una tendencia a la reducción en consumo de combustible o bien en una posibilidad de aumentar las capacidades de carga del avión. Una construcción aeronáutica nueva requiere la utilización de miles de brackets FTI (Flight Test Installations) en pequeñas series. La fabricación por adición de capas ‘Layer Manufacturing’ permite a los constructores diseñar nuevas estructuras. Los componentes fabricados por adición resultan, un 30% más ligeros que las piezas convencionales fabricadas por fundición o fresado. Además, los datos CAD constituyen la base inmediata de un trabajo de fabricación por adición. Al no necesitar herramientas, se minimizan los costes y se reduce hasta un 75% el periodo de tiempo necesario hasta disponer del componente terminado. Puesto que se trata de un proceso que no necesita herramientas, permite fabricar con antelación muestras funcionales con carácter de componente prototipo. Todo ello sin necesidad de desembolsar por adelantado los costes de herramientas. Esto permite identificar fallos en las primeras etapas de la construcción y, por tanto, mejorar el desarrollo del proyecto. En palabras de Peter Sander, jefe de departamento de Emerging Technologies & Concepts de Airbus, en Hamburgo: “Antes, las estimaciones para el desarrollo de un componente rondaban los seis meses; actualmente, este periodo de tiempo se ha reducido a tan sólo un mes”.

Airbus A350 XWB. Foto: Airbus.

Durante el fresado de piezas aeronáuticas se genera hasta un 95% de residuos reciclables. En la fundición láser, el usuario obtiene un componente conocido como ‘componente conformado neto’, en el que la cantidad de residuos generados es de aproximadamente un 5%. “En la construcción aeronáutica se habla de la ‘buy to fly ratio’ proporción de material usado, y en este apartado un 90% se considera un valor estupendo. Además, este valor también se refleja en un balance energético positivo”, afirma Claus Emmelmann, presidente de Laser Zentrum Nord GmbH, situada en Hamburgo. Todo ello, convierte a este proceso en un factor realmente interesante, especialmente para materiales aeronáuticos de gran calidad y muy caros, como el titanio. La estrategia de fabricación sin herramientas ahorra tiempo y favorece la estructura de costes. El consumo de energía regulado y la protección de los recursos son pilares característicos de la fundición láser. En palabras de Frank Herzog, presidente de Concept Laser GmbH, sita en Lichtenfels: “LaserCusing es una ‘tecnología verde’ que reduce el tan criticado impacto ecológico durante la producción”.

Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, Laser Zentrum Nord: “Veo un gran potencial, especialmente para componentes de estructuras con dimensiones de hasta un metro así como para componentes del mecanismo motor”. Foto: Laser Zentrum Nord GmbH.

En general, la fundición láser tiene efectos positivos en los costes de fabricación de series tanto pequeñas como medianas. Según afirma Peter Sander: “Las estimaciones de tamaños de lote son mucho más importantes en la construcción aeronáutica que en la construcción en serie para conseguir efectos de escala”. Con esto, dejan de aplicarse unos gastos relativos de inversión más elevados para la fundición y los posibles gastos de herramienta derivados. La fabricación por adición mediante láser garantiza una mayor libertad de formación en comparación con otras estrategias convencionales de fabricación. Esto también permite realizar muescas y canales interiores, como canales de refrigeración. En la actualidad, los proyectistas del sector aeronáutico siguen imaginando elementos refrigerados para la electrónica o bien componentes hidráulicos inteligentes. El Prof. Dr.-Ing. Emmelmann afirma que “Veo un gran potencial, especialmente para componentes estructurales con dimensiones de hasta un metro así como para componentes del mecanismo de impulsión”. En el futuro y siempre que los límites de la física lo permitan, se seguirán ideando métodos de ensamblaje que permitan aumentar el tamaño de los componentes fabricados. Lo más destacable sigue siendo que, por primera vez, se pueden combinar geometrías desconocidas hasta el momento con diferentes funcionalidades. En la construcción CAD, los flujos de fuerzas presentes en el componente se pueden determinar con gran precisión. Por lo general, la tecnología de fundición láser tiene la capacidad de desarrollar componentes relevantes para la seguridad mucho mejores, más ligeros y con una vida útil más prolongada en comparación con los componentes disponibles actualmente. También existe una ligera diferencia en lo que respecta a las propiedades de los materiales. Según afirma el Prof. Dr.-Ing. Emmelmann: “Cuanto mayor sea la resistencia que presentan los materiales fabricados por adición láser, menor será su ductilidad; no obstante, esta ductilidad se puede aumentar mediante un tratamiento térmico apropiado”.

Peter Sander, Airbus: “Antes, las estimaciones para el desarrollo de un componente rondaban los seis meses; actualmente, este periodo de tiempo se ha reducido a tan sólo un mes”. Foto: Airbus.

Una de las características innovadoras de la ‘aeronáutica generativa’ son los repuestos. En el futuro, el suministro de los repuestos se realizará de manera descentralizada, personalizados bajo demanda y se instalarán sin necesidad de utilizar herramientas. En caso de fallos en un componente, el repuesto se podrá confeccionar directamente in situ. Esto permite el desarrollo de redes descentralizadas de fabricación y, por tanto, la aplicación de estrategias globales y regionales que permiten reducir las vías de transporte necesarias y, en especial, los plazos de entrega. Como consecuencia, también se reducen los tiempos de inactividad y de revisión de los aviones por motivos de mantenimiento. Todo ello permitirá reducir considerablemente el tamaño de los almacenes de repuestos que, en la actualidad, albergan componentes poco utilizados pero que resultan indispensables teniendo en cuenta las prolongadas vidas útiles de los modelos de avión. Una menor inmovilización de capital aumenta la flexibilidad y, en especial, la disponibilidad temporal de componentes relevantes para la seguridad, lo cual es especialmente atractivo si se tiene en cuenta la presión de los precios que existe en el sector aeronáutico.

La fundición láser con metales permite fabricar las estructuras más precisas y porosas. “Por este motivo, los componentes aeronáuticos del futuro tendrán un aspecto ‘biónico’”, aventura el Prof. Dr.-Ing. Emmelmann. En el transcurso de millones de años, la naturaleza ha ido perfeccionando la funcionalidad y las estructuras necesarias con el mínimo uso de los recursos. En Airbus, estas soluciones presentes en la naturaleza se analizan de manera estructurada para determinar su posible aplicación. Gracias sus ‘estrategias inteligentes de exposición’, el láser alcanza con precisión el componente y permite su fabricación a medida en cuanto a la estructura, resistencia y acabado superficial. Según afirma Peter Sander: “Los primeros prototipos muestran el gran potencial de un procedimiento basado en la biónica que tenga en cuenta todos los requisitos relevantes de seguridad. El procedimiento provocará algún tipo de cambio en los paradigmas de la construcción y fabricación”.

Frank Herzog, Concept Laser: “LaserCusing es una ‘tecnología verde’ que reduce el tan criticado impacto ecológico durante la producción”. Foto: Concept Laser GmbH, Lichtenfels.

“Las condiciones que hay que cumplir para los acabados superficiales son las que están limitando actualmente el desarrollo de la técnica y, se puede decir, que se pueden comparar con las condiciones aplicables a componentes elaborados por fundición” explica Emmelmann. Estos fenómenos provocan, por ejemplo en el caso del titanio, una reducción considerable de la resistencia. Este valor característico es esencial para componentes estructurales sometidos a grandes cargas utilizados en la construcción aeronáutica. En este caso, se deberán tener en cuenta las gandes cargas a las que están sometidos los aviones a lo largo de su prolongada vida útil (>30 años). Los tratamientos de superficie posteriores, como puede ser el micro granallado, y un tratamiento térmico adecuado pueden aumentar considerablemente la resistencia. En palabras de Emmelmann: “Al final se consiguen los valores de un material laminado”.

‘Inline Process Monitoring’ con el módulo QM QMmeltpool: gracias a una cámara y una serie de fotodiodos, el sistema controla el proceso en pequeñas superficies de 1x1 mm². A continuación, se realiza un protocolo del proceso. Foto: Concept Laser GmbH, Lichtenfels.

Para los fabricantes de aviones, uno de los pilares más importantes de la industrialización es el control durante la fase de construcción del componente. Según afirma Peter Sander: “El control ‘Inline Process Monitoring’ con el módulo QM QMmeltpool desarrollado por Concept Laser tiene la siguiente aplicación práctica: gracias a una cámara y una serie de fotodiodos, el sistema controla el proceso en una superficie muy pequeña de 1x1 mm². A continuación, se realiza un protocolo del proceso”. Los módulos QM, tales como QMmeltpool, QMcoating, QMatmosphere, QMpowder y QMlaser, son los instrumentos principales para garantizar la calidad mientras se fabrica el componente. Realizan una medición de la potencia láser, del baño de fusión y de la formación de capas del polvo de metal, al mismo tiempo que supervisan o protocolizan por completo todo el proceso de fabricación. Otro factor relevante para garantizar la calidad es realizar los trabajos en un sistema cerrado para asegurar que el proceso se ejecuta sin la presencia de polvo y contaminación. Esto permite descartar influencias negativas que puedan afectar al proceso. Según Frank Herzog: “A día de hoy, podemos hablar de un proceso de fabricación regulado, reproducible y seguro”. A lo que Emmelmann añade: “El software QS nos permite supervisar y documentar tanto la composición de la atmósfera gaseosa protectora como aquellos datos considerados importantes como los parámetros láser y los comportamientos de la caldera de fusión. Además, pueden suprimirse las magnitudes de perturbación generadas por la contaminación. El proyecto de investigación que estamos desarrollando actualmente está enfocado a diseñar un concepto propio de seguridad cualitativa que se basa en múltiples técnicas, entre las que se incluyen las tomografías de coherencia óptica”.

Garantía de calidad gracias al QMmeltpool: el ojo humano no es capaz de detectar ningún fallo. QMmeltpool se encarga de detecatar las divergencias en la calidad del componente. Foto: Concept Laser GmbH, Lichtenfels.

Magnitudes de perturbación o cargas a las que están sometidos los aviones

La vida útil de los aviones de pasajeros es muy prolongada, más de 30 años de media. Durante el vuelo, los aviones están sometidos a grupos de fuerzas extremadamente complejos. Además de las cargas estáticas básicas, los aviones sufren por ejemplo cambios extremos de temperatura entre el vuelo y los períodos en los que están en tierra. Las cargas continuas son determinantes, ya que exigen que los componentes en cuestión trabajen a máximo rendimiento. Aquí se incluyen los despegues y aterrizajes, así como el vuelo con turbulencias constantes que pueden provocar flexiones de varios metros en los extremos de las alas. No obstante, para el diseño de estructuras de sujeción (brackets) solamente son relevantes los casos de carga estática.