De 23 piezas a una: Vocus y Materialise aportan innovación aeroespacial con Inconel y la fabricación aditiva

Al igual que muchos componentes aeroespaciales, el acoplador del silenciador de Vocus es único. Diseñada para parapentes biplaza como el Ventus y el Arcus M, esta pieza deslizante se sitúa entre el motor y el sistema de escape, ayudando a mantener el silencio. Aquí está expuesta a un gran estrés térmico y dinámico, y ahí empezaron los problemas.

La pieza original, fabricada por piezas con técnicas tradicionales y soldadas entre sí, simplemente no podía soportar la tensión. Los problemas de fiabilidad, sobre todo los relacionados con la dilatación térmica y la estanqueidad, eran frecuentes. Los puntos débiles generados por el proceso de producción daban lugar a una corta vida útil, mientras que la falta de control y coherencia provocaba considerables fluctuaciones de la producción, largos plazos de entrega y costes elevados.

"Con la fabricación y soldadura convencionales, es muy complicado: la pieza tenía 23 piezas con procesos distintos, y es muy difícil controlarlo todo", explica Stefan Gorkenant, jefe de proyecto de Vocus. "Sabíamos que con la fabricación aditiva podíamos mejorar mucho la precisión y la trazabilidad en todo el proceso, desde la fabricación hasta el mantenimiento y la sustitución. Nos permite fabricar componentes duraderos y de alta precisión a partir de una sola cantidad, con claras ventajas en rendimiento y coste."

Como empresa de fabricación aditiva (AM), Vocus destaca en el rediseño de piezas para impresión 3D y en el fomento de una mentalidad AM entre sus clientes. Proporcionan piezas de polímero y apoyo a muchas empresas, incluidas las del sector de la aviación. Para el acoplador, sin embargo, necesitaban un proveedor con una certificación EASA 21.G y experiencia en impresión 3D de metal, recurriendo a la empresa certificada POA Materialise a principios de 2020. Fue el comienzo de un proyecto de casi seis años para producir un producto pionero en la industria.

En estrecha colaboración con Materialise y EASA, el equipo de Vocus empezó por realizar ingeniería inversa de la pieza. Utilizaron un escáner TC 3D de alta resolución para captar todos los detalles del componente original, incluidas sus complejas geometrías y estructuras internas, información vital para la reconstrucción.

El equipo utilizó esos datos para crear un modelo CAD preciso. A continuación, empezaron a optimizar el diseño para mejorar la funcionalidad y la capacidad de construcción, por ejemplo reduciendo los bordes afilados y los saltos de rigidez. Vocus imprimiría su modelo en una sola pieza en lugar de 23, eliminando así los puntos débiles del diseño original.

Luego vino la fase de pruebas. En primer lugar, el equipo imprimió en 3D un modelo de plástico para garantizar la conformidad, la precisión dimensional y el ajuste, y a partir de ahí mejoró el diseño. Optimizaron los radios de carga, reforzaron las zonas sometidas a grandes esfuerzos, eliminaron el material innecesario de las zonas menos sometidas a esfuerzos para reducir el peso y realizaron optimizaciones topológicas para aprovechar al máximo el proceso de fabricación aditiva.

Ahora, estaba listo para la prueba real: la impresión 3D en metal.

"Imprimimos nuestros primeros prototipos en acero inoxidable 316L, pero descubrimos que se rompían en la misma zona que el original", recuerda Stefan. "Se debe a que el motor funciona con avgas, que contiene un alto nivel de azufre: el azufre, el acero y el agua forman ácido sulfúrico, lo que provocó un gran desgaste. Decidimos cambiar a Inconel porque es mucho menos reactivo".

La producción de las piezas de Inconel se llevó a cabo en Materialise bajo los criterios ISO 9001 y EN 9100 , garantizando la calidad y el control del proceso. Esto también dio a Vocus acceso al software de producción de Materialise: el equipo llevó a cabo la preparación digital para el proceso de impresión 3D utilizando una combinación de Materialise Magics y el procesador de construcción EOS. A lo largo del proceso, se siguieron todos los pasos para garantizar que la documentación fuera fluida desde la creación hasta la entrega.

Con el primer lote de seis acopladores en sus manos, el equipo pasó a realizar rigurosas pruebas de carga, tanto en tierra como en vuelo, con el objetivo de validar la integridad estructural y la resistencia. Los componentes demostraron rápidamente su valía, cumpliendo todas las normas de seguridad y rendimiento exigidas. Sólo faltaba obtener la aprobación de la EASA.

Cabe decir que la nueva versión del enganche cumplió las expectativas. La impresión en una sola pieza permitió mejorar considerablemente el equilibrio de la carga, mientras que las características inherentes del Inconel le permiten soportar el estrés térmico con facilidad: hasta 650° Fahrenheit (343° Celsius) durante veinte segundos seguidos. Los resultados sugieren que su ciclo de vida será al menos diez veces más largo que el de la pieza original, y esa cifra se amplía día a día.

Como era de esperar, superó rápidamente el proceso de aprobación de la AESA. Vocus recibió el STC que necesitaba para producir y suministrar el acoplador a las empresas de aviación y logró su objetivo: una pieza certificada, lista para el vuelo y de categoría dos producida con impresión 3D metálica.

"Aunque el proceso era un reto técnico, sabíamos que era absolutamente factible", recuerda Stefan. "Gracias a la gran colaboración con el equipo de Materialise, conseguimos una solución funcional y certificable que ahora está en uso operativo con éxito."

"Es difícil imaginar que este proceso se inició en 2020", prosigue. "Materialise nos apoyó mucho durante todo el proyecto. EASA, también, a través del proceso de certificación. Y ahora lo hemos conseguido. Tenemos el STC en nuestras manos, y estoy seguro de que se trata de un proceso único que no se encuentra en ningún otro lugar del mundo".

Aunque gran parte de la atención se ha centrado en el proceso, los materiales y la aprobación de la AESA, una de las principales razones del éxito de este proyecto se produjo mucho antes de que Vocus se pusiera en contacto con Materialise: la detección de aplicaciones.

"Es importante darse cuenta de que no todas las piezas están destinadas a la AM; a veces los métodos tradicionales son más adecuados", explica Stefan. "Nuestra primera motivación [para este proyecto] fue que detectamos una pieza que sabíamos que era adecuada para AM. Queríamos ponernos en contacto con la AESA para conocer el proceso de certificación de una pieza como ésta, porque estamos seguros de que muchas más piezas podrían beneficiarse de este cambio."

Si se le pide que explique, Stefan añade que uno de los principales factores es la cantidad. Mientras que un fabricante de automóviles puede necesitar miles o millones de piezas a la vez, rara vez ocurre lo mismo en la aviación.

"Con esta pieza, necesitamos unas 100 piezas al año: AM es lo ideal. Y hay muchas piezas en la aviación para las que no se necesitan más de 1.000 al año, lo que lo convierte en un método de producción muy interesante para la industria".