Stampa 3D in produzione nel settore aerospaziale, a che punto siamo

Grazie a materiali ad alte prestazioni, dotati delle proprietà richieste per un'ampia varietà di applicazioni, e di funzionalità intrinseche capaci di generare altre efficienze in tutta la catena di produzione, l'importanza della fabbricazione additiva continua a ottenere ampio riconoscimento all'interno del settore aerospaziale. Scott Sevcik, Vicepresidente per il segmento aerospaziale di Stratasys esamina per noi alcuni degli sviluppi e delle tendenze attuali che evidenziano la costante capacità della tecnologia di offrire opportunità ai produttori del settore aerospaziale e ai loro fornitori.

Si consolida ed evolve nel tempo il rapporto tra industria aerospaziale e fabbricazione additiva, settori improntati al cambiamento e all'innovazione. A mano a mano che le aziende leader investono e sviluppano le tecnologie, i percorsi di questi due comparti si sovrappongono e si informano reciprocamente.

La capacità unica della fabbricazione additiva di produrre geometrie complesse, altrimenti impensabili con metodi di produzione convenzionali che utilizzano materiali leggeri, unitamente alla possibilità di offrire elevati livelli di personalizzazione, va di pari passo con le esigenze dell'industria aerospaziale, impegnata a ottenere velocità sempre maggiori e a progettare parti complesse per incrementare l'efficienza.

Sebbene sia considerata ancora una tecnologia relativamente giovane, è da quasi 30 anni ormai che gli OEM di componenti aerospaziali e gli OEM di interni per gli aeromobili sfruttano per la prototipazione la soluzione più comune di fabbricazione additiva, vale a dire la modellazione a deposizione fusa (FDM).

Nel giro di pochi decenni e ancora oggi, la gamma di materiali FDM si va ampliando per rispondere ai rigorosi requisiti che si rendono necessari perché i componenti interni degli aeromobili siano idonei per il volo, mentre il livello di ripetibilità raggiungibile con sistemi ad alte prestazioni consente la fabbricazione di parti con un rendimento costante.

Scott Sevcik, Vicepresidente per il segmento aerospaziale di Stratasys

Una delle maggiori sfide per i produttori del settore aerospaziale interessati a stampare in 3D componenti pronti per il volo è naturalmente la certificazione.

Se in passato questo aspetto e le prestazioni dei materiali sono stati d'ostacolo a una più ampia applicazione, negli ultimi anni sono stati fatti enormi progressi nello sviluppo di materiali e soluzioni specifiche per il settore aerospaziale.

ggi esistono diversi materiali che rispettano gli standard di tracciabilità definiti dalle agenzie di regolamentazione. Ad esempio, il filamento di Stratasys basato sulla resina ULTEM 9085 è conforme alla norma FST (fiamma, fumo e tossicità), requisito essenziale per ottenere la certificazione del materiale di Airbus. Un altro esempio è il materiale Antero 800NA, basato sulla termoplastica PEKK altamente resistente agli agenti chimici, che lo rende idoneo per le parti dell'aeromobile esposte al carburante o al fluido idraulico.

Avere materiali capaci di soddisfare le proprietà richieste per le applicazioni in volo è essenziale, ma anche le tecnologie di produzione devono essere affidabili. Un fattore importante per generare questa fiducia è la capacità di dimostrare un livello di ripetibilità in grado di fornire la base per gli standard del settore. Una prestazione ripetibile semplifica la qualificazione e consente lo sviluppo di specifiche di processo che possono essere certificate con la stessa facilità di un componente prodotto in modo più tradizionale.

Lo sviluppo interno di tali specifiche può tuttavia essere dispendioso in termini di tempo e di risorse finanziarie. Molte grandi aziende vorranno investire nel proprio processo di sviluppo delle specifiche e di qualificazione, a supporto della produzione all'interno della propria catena di approvvigionamento, mentre molte imprese più piccole non avranno i mezzi per far fronte a questa sfida.

Per incrementare ulteriormente l'accessibilità, abbiamo ritenuto utile mettere a disposizione del pubblico specifiche di prodotto e dati di qualificazione capaci di soddisfare gli standard del settore aerospaziale. Per gli interni degli aerei, abbiamo lavorato a stretto contatto con America Makes, l'aeronautica militare degli Stati Uniti, il National Institute for Aviation Research e la FAA (Federation of Aviation Administration) per creare la Soluzione Interni Aeromobile (AIS). Questo pacchetto fornisce ai clienti tutte le informazioni necessarie per produrre componenti con la resina ULTEM 9085, le cui prestazioni garantiscono risultati estremamente uniformi.

Sebbene la certificazione sia cruciale, è altrettanto vitale poter produrre pezzi termoplastici ad alto rendimento che possano essere totalmente caratterizzati e che assicurino proprietà meccaniche e geometriche omogenee. Se un componente in termoplastica leggera stampato in 3D può funzionare per le applicazioni più esigenti e rigorose come lo farebbe un pezzo equivalente fabbricato in modo tradizionale, con i vantaggi aggiuntivi di libertà di progettazione e flessibilità della catena di approvvigionamento, è facile capire perché i produttori di aerei stiano impiegando sempre di più la tecnologia FDM all'interno del processo produttivo. Dopo tutto, ogni chilogrammo risparmiato significa un velivolo più leggero e un uso più efficiente del carburante.

Questi sono solo alcuni degli sviluppi che evidenziano come il settore si trovi a una svolta, in un momento in cui la maturità tecnica dei materiali e delle macchine FDM sta consentendo all'industria aerospaziale di andare oltre le applicazioni di prototipazione e attrezzaggio, per produrre parti certificabili su una scala di anno in anno in rapido aumento. Difatti, sono già decine di migliaia le parti interne di aerei che sono state prodotte utilizzando la tecnologia FDM.

È possibile che i consumatori non siano nemmeno consapevoli di volare su un aereo commerciale con più parti stampate in 3D. E in realtà, ogni qualvolta si viaggia su un Airbus A350 XWB, è molto probabile che ci si trovi vicino a un numero consistente di parti realizzate con il sistema FDM.

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Supporto per la tenda divisoria: il pezzo di maggiori dimensioni stampato in 3D per l'installazione su un aereo commerciale, prodotto dalla Diehl Aviation in resina ULTEM 9085 per applicazioni aeronautiche di Stratasys. Courtesy Diehl Aviation

Efficienza in tutta la catena produttiva e di fornitura

La fabbricazione additiva sta già avendo un impatto significativo nei casi in cui le operazioni di adeguamento o la riduzione dei tempi di lavorazione sono una priorità. Esaminando le esigenze attuali del settore, i vantaggi della fabbricazione additiva non si avvertono solo nella prototipazione o nei veicoli di concetto, ma anche nel cambio dell'economia di produzione delle parti.

L'inventario tradizionale e la produzione di componenti possono essere molto dispendiosi in termini di tempi e di costi, motivo per cui molto spesso i pezzi di ricambio che vanno fuori produzione vengono stoccati per 20 anni per evitare le spese di retrofitting. La fabbricazione additiva può consentire un approccio più efficiente, grazie alla digitalizzazione dei pezzi di ricambio che si traduce in una maggiore flessibilità per gli operatori.

Cambiando i presupposti di base che portano a una mentalità di produzione di massa, quando si tratta di parti stampate in 3D, possiamo rivoluzionare il modo in cui pensiamo ai processi produttivi nel loro complesso. Invece di progettisti che assumono decisioni sulla base di processi di produzione complessi o dei limiti degli attrezzaggi, che potrebbero avere ricadute sulla catena di approvvigionamento fino a 20 anni dopo, le parti prodotte con la fabbricazione additiva possono essere progettate in modo ottimale per l'utilizzo finale e, al contempo, dare vita a un mercato post-vendita più efficiente.

Ad esempio, la BOOM Supersonic utilizza una varietà di apparecchiature FDM di Stratasys, tra cui una stampante 3D F900 con la Stratasys Aircraft Interiors Solution, per la progettazione e la produzione del suo veicolo di prova XB-1. L'XB-1 è destinato ad aprire la strada all'Overture, il primo nuovo velivolo supersonico commerciale al mondo dopo il Concorde. La BOOM sta utilizzando la tecnologia di fabbricazione additiva per produrre dozzine di prototipi, strumenti, simulatori, componenti e parti per l'XB-1, ottenendo una significativa accelerazione del processo di sviluppo grazie alla possibilità di stampare tutti questi pezzi sul posto invece di acquistarli da un fornitore.

La personalizzazione trasforma l'esperienza di volo

La flessibilità della produzione ad alte prestazioni e bassi volumi della fabbricazione additiva consente anche di creare forme complesse senza i vincoli geometrici di attrezzaggi e stampi, aprendo così la strada ad applicazioni in cabina che possono davvero fare la differenza in termini di esperienza del cliente. Posto che la produzione di volumi inferiori diventa economicamente più redditizia, i fabbricanti sono in grado di creare componenti personalizzati destinati a classi specifiche all'interno dei velivoli.

Ad esempio, i clienti possono stampare l'immagine del proprio marchio o il logo su componenti dell'aeromobile o integrare caratteristiche decorative uniche, conferendo a ciascuna compagnia aerea o ad ogni aeroplano personalità propria. Quello che prima si poteva fare solo su alcuni veicoli privati VIP, oggi può essere fatto in modo economicamente vantaggioso sugli aerei commerciali. Anche i piloti possono trarre vantaggio da questa personalizzazione: la China Eastern Airlines ha stampato un supporto unico per la flight bag in modo che i piloti possano montare il proprio tablet sempre nello stesso modo, indipendentemente dal tipo di aereo.

Alcune di queste applicazioni sono abbastanza complesse. Recentemente, la Diehl Aviation ha utilizzato la tecnologia FDM per produrre il supporto per le tende divisorie delle classi a bordo, situato in alto sul binario. Tradizionalmente, tale supporto veniva fabbricato utilizzando diversi strati di vetroresina laminata e richiedendo attrezzature speciali in alluminio, con grande dispendio di tempo e denaro. La Diehl è stata in grado di realizzarlo assemblando 12 componenti termoplastici stampati in 3D, con una drastica riduzione di costi di attrezzaggio e ore di lavorazione. Oggi viene montato sugli A350 ed è il più grande pezzo mai stampato integralmente in 3D per un velivolo commerciale.

Il futuro della fabbricazione additiva e del settore aerospaziale

Avendo lavorato a stretto contatto con i principali produttori del settore aerospaziale, non abbiamo alcun dubbio che la fabbricazione additiva possa aprirsi a molte nuove applicazioni per migliorare l'efficienza, aumentare la personalizzazione e trasformare le catene di approvvigionamento attraverso inventari digitali e produzione on-demand. Se da un lato i continui passi in avanti fatti in questo campo mettono in discussione le capacità dei processi produttivi e dei materiali più tradizionali, dall'altro noi continuiamo a incentivare lo sviluppo di materiali termoplastici capaci di equiparare o persino di superare le tecnologie tradizionali.

E tuttavia, nonostante gli incredibili progressi fatti e il modo in cui la tecnologia si spinge sempre di più oltre i propri confini, ci sono ancora aziende che non sono pronte a trarre vantaggio dalla fabbricazione additiva. Perché il settore continui a progredire, è necessario avanzare parallelamente in termini di formazione, materiali e software di progettazione e analisi. In questo modo la stampa 3D continuerà a volare alto nei cieli azzurri del settore aerospaziale.

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