Fabricación aditiva por arco de alambre para modelos de túnel de viento

por el Dr. Filomeno Martina, fundador y director ejecutivo de WAAM3D

A nivel mundial, se espera que el mercado de túneles de viento crezca hasta 3.190 millones de dólares en 2027 con una tasa compuesta anual del +3,3%. Desde que los primeros túneles de viento cerrados entraron en funcionamiento allá por el siglo XIX, han demostrado su valor en las investigaciones aerodinámicas y han contribuido de manera fundamental a todos los programas aeronáuticos importantes. A medida que los vehículos aéreos no tripulados (UAV) se vuelven cada vez más populares, los modelos de túnel de viento muestran una vez más su potencial para ayudar a los ingenieros a mejorar la relación elevación-arrastre (o relación L/D) de estos y muchos otros componentes aeroespaciales.

En este artículo, el Dr. Filomeno Martina, director ejecutivo y cofundador de WAAM3D, analiza cómo las empresas de investigación aeroespacial están utilizando la impresión metálica 3D para mejorar el desarrollo y la innovación de sus productos y el rendimiento de estos prototipos.

La prueba y el desarrollo de una pieza aeroespacial mediante el diseño de un prototipo puede ser un proceso largo, prolongado y costoso. Sin embargo, esta etapa es vital ya que cuanto más eficaz sea el prototipo, mejor será el producto terminado. Además de utilizarse para las fases avanzadas y de preproducción, los prototipos metálicos también se pueden utilizar desde el principio, especialmente cuando es necesario evaluar el rendimiento mecánico y funcional. Los prototipos de metal pueden fabricarse con aluminio, acero u otros materiales y crearse mediante diversos procesos, como el mecanizado CNC, el conformado de chapa, la fundición o la impresión de metal en 3D.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) es una técnica de impresión de metal 3D que tiene el potencial de transformar la producción de componentes y prototipos aeroespaciales a gran escala. Esto se debe a que evita los costosos residuos asociados con el mecanizado de materiales como el titanio y puede crear estructuras menos complejas, de mediana y gran escala, en una variedad de materiales (desde titanio, aluminio, metales refractarios, acero, bronce y cobre hasta Invar, Inconel y magnesio). Es particularmente adecuado para construir componentes de aeronaves de tamaño mediano a grande, como cruciformes, bridas, paneles rígidos y nervaduras de ala.

RoboWAAM es la plataforma de impresión aditiva de metales 3D de gran formato de WAAM3D (Imagen: WAAM3D)

En los últimos años, Aircraft Research Association Ltd (ARA), con sede en Bedford, Reino Unido, ha estado buscando formas de mejorar los plazos y los costes de creación de modelos. Después de haber pasado muchos años brindando investigación y desarrollo independiente a la industria aeroespacial del Reino Unido, la compañía tiene una base de clientes global que se extiende desde la costa oeste de América del Norte, pasando por Europa, hasta el Lejano Oriente de Asia. ARA también es reconocido como un Centro de Excelencia en Aerodinámica y, después de haber trabajado en muchos proyectos innovadores para los principales fabricantes de aviones comerciales y sistemas de defensa del mundo, está acostumbrado a ampliar los límites del diseño para obtener ventajas técnicas.

Habiendo investigado previamente el potencial de un ala de acero con los fundadores de WAAM3D y su equipo en Cranfield, los ingenieros aerodinámicos de ARA sabían que WAAM tenía el potencial de reducir los tiempos y costos de entrega de los modelos de túnel de viento. Para probar esta teoría, ARA eligió un cono de nariz de aluminio de 190 mm de diámetro y 350 mm de longitud para producirlo utilizando el proceso WAAM y que podría integrarse en un modelo de túnel de viento como parte de un programa financiado de investigación e innovación Clean Sky 2 (bajo el Acuerdo GA no. 864803).

El cono de nariz de aluminio de 190 mm de diámetro y 350 mm de largo fue producido por la máquina RoboWAAM (Imagen: WAAM3D)

Basado en la investigación de la Universidad de Cranfield realizada desde 2006, WAAM3D es líder en fabricación aditiva a gran escala. Con experiencia en la entrega de soluciones llave en mano basadas en productos, servicios y materiales desarrollados internamente, el equipo trabajó en estrecha colaboración con ARA para optimizar el diseño del cono de la nariz y garantizar su entrega en términos de ahorro de tiempo y costos. Para hacer esto, el equipo de WAAM3D consideró la geometría y se aseguró de que la mayor parte de la materia prima de la barra inicial se construyera alrededor de un amortiguador de vibraciones integrado dentro del cono de la nariz. Esto minimizó el material depositado, ahorrando tiempo, dinero y materiales.

La nariz cónica estaba hecha de alambre de aluminio 2319. La forma casi neta se produjo en la plataforma de impresión aditiva de metal 3D de gran formato de WAAM3D, RoboWAAM, y ARA y WAAM3D la monitorearon cuidadosamente durante todo el proceso de deposición.

El Dr. James Alderman, ingeniero principal de aerodinámica de ARA, explica con más detalle: “Elegimos producir un cono de nariz utilizando WAAM, ya que queríamos una forma de bajo riesgo de investigar la técnica WAAM: un cono de nariz es una parte relativamente no estresada, con una seguridad. factor de alrededor de 200. El objetivo era ver cómo se comportaba el proceso en términos de tiempos, costes y ahorro de material y, posteriormente, decidir si los componentes con mayor tensión se beneficiarían de este proceso de producción”.

“Una vez impresas, las superficies críticas del cono de la nariz (aquellas que serían barridas por el viento o que se interconectarían) se sometieron a mecanizado e inspección posteriores en ARA. Establecimos tolerancias de perfil de superficie y acabado de < +- 0,1 mm y Ra < 0,8 micras respectivamente y se lograron con facilidad. También es importante destacar que no hubo problemas de distorsión durante el proceso de mecanizado”.

El cono de nariz de aluminio se produjo como parte de un proyecto para evaluar la viabilidad de la AM metálica para producir modelos de túnel de viento (Imagen: WAAM3D)

Las dos organizaciones, aprovechando décadas de experiencia en sus respectivos campos, pudieron reducir el uso de material en un 74% en el cono de la nariz de aluminio, lo que tiene importantes beneficios ambientales para otros proyectos en el futuro.

En cuanto a los plazos y los costos, el Dr. James Alderman dice: “Este proyecto se llevó a cabo para que pudiéramos aprender sobre el proceso de diseño para WAAM y cómo postmecanizarlo, así que nos tomamos nuestro tiempo. Sin embargo, creemos que WAAM generaría entre un 5% y un 10% de ahorro de costos en comparación con el mecanizado a partir de palanquillas de aluminio y se entregaría más rápidamente ahora que la curva de aprendizaje se ha acortado.

“El cono de nariz producido con WAAM fue un éxito, ya que demostró los beneficios potenciales de esta técnica para la fabricación de componentes de modelos de túnel de viento. Veo WAAM como una forma de acortar nuestros plazos y costos de entrega y reducir el desperdicio de material en otros componentes en el futuro”.

El cono de nariz se ha integrado con éxito en un modelo de túnel de viento que se ha probado en el túnel de viento Transonic de ARA. Este proyecto demuestra que se pueden desarrollar prototipos rápidamente (y con tolerancias definidas) utilizando WAAM y funcionar bien en condiciones de prueba.

Dr. Filomeno Martina,

El Dr. Filomeno Martina cofundó WAAM3D en julio de 2018 con un equipo de investigación de la Universidad de Cranfield, Reino Unido, donde fue profesor titular e investigador. Sus logros en el mundo académico incluyen la coordinación de un proyecto Erasmus de la UE de 1 millón de euros para establecer en la Universidad de Cranfield "la primera Maestría en Metal AM del mundo".

Ha contribuido a la redacción y coordinación de varias ofertas y proyectos exitosos de varios millones de libras. Durante su doctorado y su trabajo postdoctoral, logró propiedades mejores que las de forjado con aleaciones de titanio, níquel y hierro, con una combinación ahora patentada de AM y trabajo en frío durante el proceso del depósito.

Es un orador habitual en conferencias WAAM a nivel mundial y tiene más de 40 artículos de revistas revisados ​​por pares, algunos de los cuales han sido citados más de 1400 veces. También ha ayudado a redactar las normas ASTM y BSI sobre DED y WAAM. También recibió el prestigioso Premio Internacional Joven Investigador Destacado en Fabricación Aditiva y de Forma Libre (FAME Jr) en el Simposio de Fabricación de Forma Libre Sólida de 2022.