El avión de demostración XB-1 utiliza piezas de titanio impresas 3D en el sistema Sapphire de VELO 3D
El avión de demostración supersónico XB-1 de la empresa Boom Supersonic, ha hecho realidad el sueño de regreso a los viajes supersónicos. La aeronave XB-1 y Overture, el próximo avión de pasajeros supersónico de la compañía, hacen eco de la forma del Concorde (ver imagen). Los diseñadores del avión XB-1 pudieron explorar diseños y tecnologías de manufactura más avanzada que los que estaban disponibles en tiempos del Concorde.
Ya que había testimonios de piezas impresas en 3D que ya están volando en muchos aviones, el equipo de diseño e ingeniería de Boom Supersonic, comenzó a pensar en emplear manufactura aditiva para fabricar algunas de sus piezas.
¿Por qué manufactura aditiva? “Hay muchas razones para elegir esa tecnología sobre otras”, comenta el ingeniero Byron Young de Boom Supersonic. “Existe una gran flexibilidad de diseño por el uso de materiales impresos en 3D. Es posible lograr resultados similares al hacer varias piezas, ensamblarlas por soldadura o atornillarlas, o al usar herramientas de fibra de carbono. Pero esto requiere mucho tiempo de ingeniería y, a menudo, también más tiempo de fabricación ".
“Los ingenieros siempre buscan ahorrar tiempo en sus ciclos de trabajo. Gran parte del esfuerzo en el diseño de aviones se destina en las uniones o interfaces entre los componentes. Al diseñar directamente por manufactura aditiva, podemos reducir el número de piezas y uniones, lo que también reduce el tiempo y el esfuerzo. Este rediseño hace la pieza más ligera, algo que es una prioridad importante en el diseño de aeronaves. "
Crear geometría libre permite aligerar piezas
Muchas de las partes impresas en 3D de Boom, tienen canales de enfriamiento y contienen nervaduras, conductos y rejillas complejas. Parte del aire que se dirige a través de estas partes supera los 260 grados Celsius. La geometría de estas piezas requiere de un enfoque de diseño de modelado de superficies. “Si el aire en movimiento rápido las toca, nos preocuparía esa superficie desde el punto de vista de la eficiencia y el rendimiento en diseño”, comenta Young. “Por lo tanto, al diseñar estas piezas, generalmente se comienza con perfiles aerodinámicos y luego se recortan, redondean y engrosan las superficies para crear la pieza sólida en sí. Las piezas resultantes son muy complejas, lo que significaba que definitivamente debían fabricarse por métodos de impresión 3D."
Gene Miller, ingeniero de aplicaciones de VELO3D, está de acuerdo con la opinión y trabajó con los ingenieros de diseño de Boom Supersonic y Duncan Machine Products (DMP), el socio de la cadena de suministro que se encargaba tanto de la impresión 3D como del post proceso. El comenta, "Boom diseñó todas estas piezas específicamente para su nueva aeronave. Las geometrías que crearon para dirigir el flujo de aire con un enfoque en el ahorro de peso, no se pudieron hacer con procesos como, chapa metálica o fundición. Para conseguir los beneficios de este diseño y de reducción de peso juntos, la única opción era hacerlo con manufactura aditiva en metal ".
El equipo de Boom Supersonic trabaja con VELO3D desde 2019, eligieron la tecnología de fusión de polvo metálico láser (LPBF) para producir una serie de componentes de titanio impresos 3D que serán ubicados en áreas críticas del avión. Estos incluían manifolds para el sistema de válvula de derivación variable que dirige el aire liberado por el compresor del motor a la línea exterior de la aeronave, rejillas de salida para el sistema de control ambiental (ECS) que enfría la cabina y la bahía de sistemas, rejillas que dirigen el flujo de purga secundario de la entrada central a la línea exterior de la aeronave, y conductos NACA y dos piezas de brida desviadora. Los conductos NACA se utilizan con frecuencia en aviones de alta velocidad para capturar aire exterior y canalizarlo hacia el interior del avión para enfriar los compartimentos del motor. Todas las piezas se imprimieron en el sistema VELO3D Sapphire.
En todos los casos se imprimió 3D directo de los datos de diseño CAD de Boom, conservando la forma original. "Usamos el software Flow de nuestro sistema para agregar algunas nervaduras estructurales en las paredes más delgadas de los conductos NACA que tenían que restringirse", menciona Miller. "Pero en su mayor parte, los otros componentes se imprimen tal cual, sin comprometer el diseño".
“El sistema Sapphire nos permitió imprimir paredes delgadas de hasta 0.02 pulgadas o 750 µ, con un acabado que no requerían mecanizado adicional”, agrega Boom.
Otra ventaja fue la alta relación de aspecto (altura contra ancho), diseñado gracias al proceso de recubrimiento sin contacto de la máquina VELO3D (que distribuye cada nueva capa de metal en polvo para fusionar con láseres duales). Para eliminar la masa, las paletas de las rejillas de purga de la entrada central se fabricaron huecas, y las piezas se diseñaron con relaciones de aspecto altas (paredes muy delgadas a lo largo de tramos largos). “Debido a que esta tecnología permite la capacidad de imprimir esa relación de aspecto muy alta, no se requiere un exceso de material para generar resistencia dentro de las estructuras y se pudo hacer crecer esas paletas de conductos muy alto sin ninguna interferencia del recubrimiento”. dice Miller.
Titanio, pesadilla de ingenieros aeroespaciales
Uno de los mayores desafíos del proyecto fue trabajar con el material titanio que Boom eligió para las piezas impresas en 3D. “Uno de los aspectos positivos del uso de titanio es que el material resiste temperatura”, menciona Aaron Miller el ingeniero de manufactura aditiva de DMP. "Hay menos pérdida de resistencia a altas temperaturas en comparación con el aluminio o la fibra de carbono, el titanio tiene mejor relación resistencia / peso".
Pero aun cuando el titanio es ligero, resistente al calor y es utilizado en la industria aeroespacial, también tiene la reputación de ser delicado y difícil de trabajar sin importar cómo se fabrique. Si el titanio se enfría demasiado rápido, se vuelve quebradizo y se agrieta. Aaron bromea: "El titanio está en esa lista de cosas que a los operadores de mecanizado no les gustan, como la aleación Inconel".
Las piezas de titanio se pueden fabricar mediante fundición, con una velocidad de enfriamiento más lenta para evitar el agrietamiento, señala Gene. Pero el diseño de las paredes delgadas en los componentes de aviones, hubiesen sido casi imposibles de hacer por fundición. "Esa es realmente una de las fuerzas impulsoras detrás del uso de la impresión 3D para estas piezas porque podemos imprimir secciones grandes de titanio de paredes delgadas sin el desperdicio de las piezas fundidas agrietadas", añade.
“Este fue un proceso de aprendizaje en todos los lados”, reconoce Gene. “Boom diseñó una familia de piezas que era nueva para nosotros, pasamos las fronteras en la reducción de peso y las geometrías de paredes delgadas, aprendimos mucho de imprimir 3D estos componentes en titanio y de sus propiedades.
Aquí es donde el control del proceso es crítico. La experiencia en semiconductores de VELO3D dio un enfoque en el control de calidad. El equipo ha desarrollado un proceso de manufactura aditiva exclusivo y patentado, que optimiza los parámetros y las secuencias de impresión para producir piezas de titanio robustas. “Esto baja la cantidad de esfuerzos internos en el sustrato conforme el material se acumula capa por capa en la dirección de construcción Z”, explica Gene. "Disminuye la posibilidad de agrietamiento al mitigar las tensiones internas formadas durante el enfriamiento".
El control de calidad está integrado en todo el proceso, comenzando desde el software Flow del sistema Sapphire validado con calidad de Assure. La calibración de la máquina se logra con un solo clic, se verifican las variables de alineación láser, la estabilidad del haz, la calidad del polvo entre otras. La metrología del proceso monitorea una amplia variedad de métricas y marcas anomalías. Se compilan y guardan reportes de todas las corridas.
Post proceso sencillo
Una vez que las piezas están impresas 3D, se quitan de la placa de construcción del equipo Sapphire con sierra o electroerosión por corte de alambre. Los operadores de DMP encontraron que el post proceso era sencillo contra piezas fabricadas por otros sistemas con los que habían trabajado.
“Después de sacar de la placa de construcción, teníamos muy poco que hacer en el proceso de mecanizado, probable la eliminación de algún soporte”, comentan. Las piezas salen del sistema Sapphire casi terminadas, solo necesita un poco de trabajo manual con un destornillador o muela de pulido. También rimamos orificios piloto (en piezas más grandes que se unirán) con una fresa para asegurarnos de que sean del tamaño correcto. Depende de la pieza, pero probablemente solo media hora de mecanizado por pieza, lo cual no es gran cosa ".
Hubo otro reto en la geometría de las piezas al crear fixtures para sujetarlas durante el acabado. "Prácticamente no hay ninguna superficie que sea perfectamente plana o redonda en un avión, lo que dificulta su sujeción", dice Aaron. "Pero solo usamos los modelos CAD de las piezas y rápidamente diseñamos e imprimimos en 3D fixtures de plástico a la medida (en una impresora FDM) ".
El acabado de la pieza justo al salir de la máquina se probó con un perfilómetro, registrando medidas de 250 RA en promedio. “Si el cliente quisiera pasar a 125 RA, necesitaría solo unos minutos con un pulidor de vapor para lograrlo”, destaca Aaron. “Hasta ahora, Boom no nos ha pedido que modifiquemos el acabado superficial de sus piezas, pero si se necesita una superficie más lisa es fácil de lograr ".
Las piezas terminadas se les dio tratamiento térmico para mejorar la vida útil contra la fatiga. “Hacer esto siempre es una buena idea, especialmente cuando tienes componentes de vuelo que pueden cargarse cíclicamente durante el despegue y el aterrizaje”, nos dice Gene. "El vuelo supersónico presenta una serie de fenómenos que no se ven en los viajes aéreos convencionales". Young agrega: “Las principales fuerzas que se aplican no son cargas de presión, por ejemplo, al romper la barrera del sonido. En muchos casos, es un esfuerzo causado por la estructura general de la aeronave que se dobla alrededor de su pieza. Cuando se ensamblan piezas con coeficientes de expansión térmica diferentes entre sí (compuestos de carbono y aluminio), también pueden producirse esfuerzos adicionales. Diseñar estas piezas impresas en 3D para que sean muy delgadas y flexibles puede mitigar algunos de estos problemas ".
Prueba, aprende e itera: la alianza da sus frutos
Las tres empresas que se unieron aprendieron mucho de su colaboración al producir con éxito piezas impresas en 3D para el supersónico XB-1 de Boom Supersonic. El equipo de Boom descubrió que la manufactura aditiva era más compleja de lo que habían imaginado, pero cumplieron con su intención de mantener el diseño original. Duncan Machine Products aprendió de esta experiencia en impresión 3D y adquirió una tercera máquina Sapphire.
Regreso al futuro con Boom Supersonic
Los vuelos comerciales del futuro SST de la compañía con Overture están programados para comenzar antes del final de la década. Se han identificado cientos de rutas potenciales y dos aerolíneas importantes, Virgin Group y Japan Airlines, ya han reservado 30 aviones.
El avión de pasajeros Overture de Boom incluirá una estructura de compuesto de carbono y está explorando el uso de motores a reacción Rolls-Royce silenciosos y eficientes que no usan postcombustión durante el crucero supersónico.
La aeronave de demostración XB-1 de Boom Supersonic, es escala un tercio del Overture, se lanzó en octubre de este año, y las pruebas de vuelo están programadas para comenzar en 2021. El Overture de tamaño completo debutará en 2025, y los vuelos de pasajeros deben comenzar antes el final de la década.
Fuente: Velo 3D
