Stampa 3D nell’aerospaziale, come si arriva all’efficienza

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Il settore aerospaziale sta cercando una strada che porti a migliorare l'efficienza del carburante. E le tecnologie di manifattura additiva sostengono i flussi di lavoro della produzione trasformando il modo in cui le innovazioni vengono realizzate.

La produzione con stampa 3D consente a progettisti e ingegneri di creare parti che non possono essere rappresentate con i metodi formativi e sottrattivi tradizionali. Molti sostengono che con le tecnologie additive le complessità vengono eliminate, consentendo agli ingegneri di dedicarsi a una progettazione funzionale, più comunemente nota come DfAM, progettazione per la manifattura additiva.

In qualità di tecnologia digitale, la stampa 3D consente di migliorare l'efficienza, in quanto non sono necessari gli stampi tradizionali. Ciò consente ai progettisti di mettere a punto un ciclo di sviluppo efficiente, ottenendo un prodotto di qualità superiore più velocemente di quanto sarebbe possibile con le tecnologie precedenti.

Come sostiene Patrick Dunne, Vice President, Advanced Application Development di 3D Systems, nel settore aerospaziale questo ambiente di progettazione rapido e soggetto a vincoli ridotti al minimo consente cambiamenti sostanziali per quanto riguarda l'ottimizzazione della progettazione. Sul piano pratico consente alle aziende del settore aerospaziale di progettare meglio, più velocemente e con piattaforme più efficienti.

Di seguito Dunne elenca alcuni dei vantaggi significativi che il settore aerospaziale può ottenere come risultato dell'adozione dell'approccio combinato DfAM/MA alla produzione.

Semplificazione della progettazione e riduzione del numero delle parti

Da sempre la complessità, il costo, il time-to-market, nonché l'affidabilità dei sistemi sono strettamente correlati al numero di componenti secondari di un assieme. Meno parti si hanno, minore è l'assemblaggio richiesto e in ultima analisi vi sono meno rischi di errori.

Sebbene la riduzione del numero di parti come filosofia di progettazione non sia nuova, perfino non esclusiva della produzione additiva, quest'ultima consente agli ingegneri di farle raggiungere un livello completamente nuovo.

Un esempio recente: la realizzazione in un’unica componente tradizionalmente realizzato con 12 fusioni e tubi. A parte la manodopera che richiedeva l'assemblaggio, maschere e attrezzature, nonché una complessa catena di fornitura, il processo presentava in ultima analisi una fase di saldatura per quasi 10 metri lineari. Successivamente occorreva meticolosamente ispezionare la parte tramite scanner CT per verificare l'assenza di difetti. Quando è stata messa in opera la manifattura additiva, le 12 parti sono diventate una e non vi era più la necessità di maschere, attrezzature, assemblaggi e della lenta ispezione QC.

La parte risultante era più leggera, presentava meno punti critici, era più economica ed efficiente da produrre e consentiva prestazioni migliori.

Trasferimento termico

L'efficienza del carburante dei motori a getto è una funzione derivante da più fattori. Uno di questi è la temperatura del sistema. In genere, maggiore sarà la temperatura di funzionamento del sistema, tanto più efficiente diventerà in termini di consumo di carburante. Un aumento della temperatura di 100-200 °C può determinare un aumento dell'efficienza pari all'1-2%.

Sebbene ciò non sembri significare molto, se si considerano le migliaia di motori che volano per diverse migliaia di ore, per una compagnia aerea il conto può arrivare a centinaia di milioni di dollari di risparmi in carburante. La produzione additiva consente agli ingegneri di integrare nei componenti secondari la progettazione di strutture di raffreddamento alternative e/o conformi, che in ultima analisi consentono alle parti di mantenere un'integrità funzionale e strutturale a queste temperature elevate.

Analoghi principi di trasferimento termico esistono all'interno dei sistemi di combustione dei razzi, in cui la temperatura determina la pressione. Questo a sua volta consente un miglioramento delle prestazioni, nonché del tasso di usura e lacerazione/ablazione, favorendo la tendenza verso un'economia di riutilizzo del sistema.

Patrick Dunne, Vice President, Advanced Application Development di 3D Systems

Riduzione del peso

La manifattura additiva offre enormi potenziali vantaggi per l'efficienza del veicolo spaziale e dei satelliti. La riduzione del peso delle parti che volano consente sempre una maggiore efficienza del carburante e prestazioni migliori in generale. Tuttavia, tale miglioramento è stato avvertito in modo particolare nei sistemi per lo spazio.

L'ottimizzazione strutturale basata sulla progettazione, sia manuale che automatica, determina cambiamenti fondamentali nei rapporti resistenza/peso. Esempi recenti includono le staffe Thales di antenne per satelliti. Utilizzando avanzati algoritmi strutturali, Thales è stata in grado di generare il progetto di una staffa che, nel momento in cui è stata espressa nella stampa in titanio diretto era più leggera del 25%, mantenendo al contempo le prestazioni di una staffa costruita in modo tradizionale.  Sono state identificate ulteriori opportunità di ottimizzazione basate sul passaggio a strutture tubulari, come possiamo vedere nei telai delle biciclette.

Manifattura additiva, la svolta nell'efficienza

Quando si combinano il trasferimento termico, gli assiemi completi costruiti come unica parte e la riduzione del peso, è possibile vedere come la produzione additiva svolga un ruolo importante nel miglioramento delle cifre del mercato aerospaziale relative all'utilizzo dell'energia. Esistono inoltre altri vantaggi, come una ricerca e uno sviluppo più economici, un tempo ridotto per ottenere il primo pezzo e la capacità di creare parti personalizzate, promuovendo l'innovazione.

Dato che l'adozione della manifattura additiva nel settore aerospaziale continua ad accelerare, crescerà anche il numero di produttori che stampano in 3D parti per uso finale in plastica e metallo. La produzione additiva sta trasformando il modo in cui i leader del settore creano nuovi e migliori prodotti, aumentando al contempo l'efficienza che li pone in netto vantaggio rispetto alla concorrenza.

 

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