In sintesi: questa guida illustra come la produzione additiva stia trasformando lo sviluppo e la produzione di UAV per la difesa, velivoli VTOL (a decollo e atterraggio verticale) e droni VTOL stampati in 3D. Scopri come le aziende manifatturiere del settore aerospaziale utilizzano la stampa 3D per ridurre il peso, unificare i componenti, accelerare lo sviluppo, produrre componenti pronti per il volo e scalare la produzione utilizzando materiali avanzati e flussi di lavoro certificati per il settore aerospaziale.
Non tutti i programmi relativi agli UAV presentano gli stessi requisiti di produzione. Un piccolo UAS tattico potrebbe dare priorità alla velocità, a una produzione a basso intervento manuale, alla disponibilità dei materiali e a un ciclo di iterazione rapido. Un UAS più grande, appartenente al Gruppo 4 o al Gruppo 5, potrebbe invece richiedere standard di livello aerospaziale in materia di aeronavigabilità, qualificazione dei materiali, controllo dei processi, tracciabilità e affidabilità durante l’intero ciclo di vita.
La produzione additiva offre molto più della semplice prototipazione rapida per i programmi di UAV e VTOL nel settore della difesa. Dall’accelerazione dello sviluppo dei velivoli e dalla riduzione del peso al miglioramento della resilienza della catena di approvvigionamento e al supporto di una produzione conforme alle normative, sta aiutando le aziende manifatturiere ad affrontare alcune delle sfide ingegneristiche più urgenti del settore.
Una delle maggiori opportunità offerte dalla produzione additiva nei programmi relativi agli UAV e ai velivoli VTOL non consiste semplicemente nel stampare i componenti più rapidamente. Si tratta piuttosto di ridurre il numero di componenti che devono essere prodotti, assemblati, ispezionati, immagazzinati e sottoposti a manutenzione. Spesso è possibile combinare più componenti in un unico pezzo stampato, riducendo la complessità dell’assemblaggio e i requisiti relativi all’attrezzaggio. Consolidando staffe, alloggiamenti, condotti, supporti ed elementi strutturali in un numero minore di componenti, la produzione additiva riduce anche la manodopera necessaria per l’assemblaggio, i controlli di qualità e la complessità logistica.
I programmi di difesa spesso richiedono l’adattamento dei velivoli a nuovi carichi utili, sensori, requisiti di missione e ambienti operativi. La produzione additiva consente ai team di testare, perfezionare e produrre componenti aggiornati senza dover attendere la realizzazione di nuovo attrezzaggio. Ad esempio, Aurora Flight Sciences ha utilizzato la produzione additiva per sviluppare il primo UAV al mondo con motore a reazione stampato in 3D, dimezzando i tempi di sviluppo, mentre alcune parti hanno subito più di 20 iterazioni di progettazione prima del volo.
La produzione additiva (AM) consente di realizzare strutture leggere e geometrie ottimizzate in grado di migliorare l’autonomia, la resistenza, la capacità di carico utile e le prestazioni complessive del velivolo. Posizionando il materiale solo dove è necessario, gli ingegneri possono ridurre il peso superfluo pur soddisfacendo i requisiti meccanici.
Man mano che i programmi relativi agli UAV passano alla fase di produzione, la sfida si sposta dalla stampa di un singolo componente riuscito alla produzione di migliaia di parti ripetibili tra diverse configurazioni, macchine, operatori e strutture. In uno studio di produzione condotto da Stratasys, la sostituzione di sei volumi di stampa desktop distributi con un’unica configurazione industriale FDM® ha ridotto il tempo totale di produzione di circa il 51%, riducendo al contempo il numero di componenti e la manodopera necessaria per l’assemblaggio.
La produzione additiva (AM) aggiunge un livello di resilienza alle catene di approvvigionamento, consentendo la produzione di parti, attrezzaggio e componenti di ricambio qualificati più vicino al luogo in cui sono necessari. Per i programmi di UAV nel settore della difesa, ciò può ridurre l’esposizione a tempi di lavorazione lunghi, a fonti di approvvigionamento fragili di terze parti o non conformi al NDAA, o a vincoli di magazzino, specialmente quando i componenti sono a basso volume, specifici per una missione o difficili da reperire attraverso i canali convenzionali. In questo caso, i componenti di ricambio stampati in 3D hanno ridotto i costi dell’88%, contribuendo al contempo a definire un percorso ripetibile per la realizzazione di ulteriori componenti aerospaziali certificati.
Nella produzione di UAV e VTOL, la selezione dei materiali, il controllo dei processi, la documentazione, l’ispezione e la tracciabilità sono elementi essenziali. Stratasys supporta tutto ciò grazie a materiali di produzione, flussi di lavoro additivi controllati e funzionalità del software GrabCAD che consentono alle aziende manifatturiere di documentare le stampe, gestire i dati di produzione e garantire la tracciabilità lungo l’intero processo di produzione. Insieme, queste funzionalità offrono ai team del settore aerospaziale e della difesa un percorso controllato per la produzione di componenti durevoli destinati all’uso finale, con la ripetibilità e l’affidabilità necessarie per la produzione.
I droni multirotore utilizzano più rotori di portanza per generare sia portanza che propulsione. Sono sia meccanicamente semplici che altamente manovrabili, quindi sono particolarmente adatti a missioni di ricognizione, sorveglianza e a corto raggio.
Poiché i multirotori si affidano interamente alla portanza generata dai rotori, ogni grammo è fondamentale. Le strutture leggere contribuiscono a massimizzare il tempo di volo, la capacità di carico utile e l’efficienza complessiva. La produzione additiva ottimizza inoltre le cellule per quanto riguarda la distribuzione del peso, l’integrazione del carico utile e il comportamento alle vibrazioni di componenti chiave quali gli alloggiamenti delle batterie, i supporti per il carico utile e gli involucri dell’avionica, tutti personalizzati in base alla missione del velivolo.
I velivoli "Lift plus Cruise" utilizzano motori dedicati per la portanza verticale e sistemi di propulsione separati per il volo in avanti. I progetti "QuadPlane" ne sono un esempio comune, in quanto combinano la portanza dei multirotori con l’efficienza dei progetti ad ala fissa.
Questi droni richiedono spesso alloggiamenti multipli, staffe, vani batteria, supporti per il carico utile e strutture aerodinamiche geometricamente complesse. La produzione additiva aiuta a consolidare questi componenti, riducendo la complessità dell’assemblaggio e facilitando la produzione di componenti leggeri e specifici per la missione, che possono essere rapidamente adattati a diversi carichi utili e requisiti operativi.
I velivoli a rotore basculante e ad ala basculante passano dal volo verticale a quello orizzontale ruotando i rotori o l’ala stessa. Ciò consente loro di combinare decolli e atterraggi simili a quelli degli elicotteri con alta velocità e autonomie maggiori rispetto a molti altri modelli VTOL.
Si tratta di velivoli meccanicamente complessi, il che aumenta la necessità di strutture, alloggiamenti e staffe leggeri e, spesso, di numerose iterazioni di prototipazione rapida. La produzione additiva è utile quando i team devono testare rapidamente le modifiche progettuali o realizzare geometrie complesse che sarebbero difficili o costose da produrre con metodi convenzionali.
I velivoli “tailsitter” decollano e atterrano verticalmente sulla coda prima di passare al volo orizzontale. Non sono così diffusi come le altre architetture VTOL, ma presentano un design meccanico più semplice, che a volte può ridurre il peso e la complessità costruttiva.
È possibile stampare strutture integrate e cellule leggere che combinano più funzioni in un numero ridotto di componenti. E va menzionata l’iterazione rapida, che rappresenta uno dei principali vantaggi della produzione additiva, poiché gli ingegneri perfezionano la stabilità, l’equilibrio e le prestazioni aerodinamiche del drone nelle modalità di volo sia verticale che orizzontale.
La progettazione per la produzione additiva certificata non si limita all’ottimizzazione delle prestazioni del velivolo. Gli ingegneri devono anche considerare le modalità di fabbricazione, qualificazione e produzione delle parti in modo coerente per tutto il ciclo di vita del programma.
Le migliori applicazioni additive spesso riducono non solo il peso del pezzo, ma anche l’onere produttivo complessivo: meno assemblaggi, meno elementi di fissaggio, meno fasi di incollaggio, meno attrezzature di fissaggio, meno punti di ispezione e meno articoli da gestire in magazzino. Per i programmi relativi agli UAV, questo aspetto può essere importante quanto le prestazioni del pezzo stampato stesso.
I velivoli VTOL devono trasportare sistemi di propulsione, batterie, carichi utili e avionica, pur rimanendo il più leggeri ed efficienti possibile. L’ottimizzazione topologica e la progettazione generativa aiutano gli ingegneri a collocare il materiale solo dove contribuisce alla resistenza e alle prestazioni complessive.
La produzione additiva rende più pratico realizzare queste geometrie ottimizzate senza i vincoli legati all'attrezzaggio a cui si è abituati con la produzione tradizionale. Aurora Flight Sciences, ad esempio, ha utilizzato la topologia ottimizzata per rimuovere il materiale superfluo, creare una cellula rigida e leggera e combinare più componenti in singoli pezzi.
La Stampa 3D consente agli ingegneri di consolidare staffe, alloggiamenti, condotti ed elementi di montaggio in un numero minore di componenti, creando assemblaggi più semplici con un minor numero di giunti incollati e fasi di assemblaggio. Questi progetti sono più facili da produrre in modo coerente e contribuiscono a garantire la ripetibilità necessaria per una produzione aerospaziale certificata.
La scelta del materiale giusto è fondamentale nel settore aerospaziale, dove i componenti devono resistere a carburanti, fluidi idraulici, temperature estreme e altre condizioni operative impegnative, garantendo al contempo una produzione convalidata e di livello industriale.
Man mano che la produzione additiva entra nella fase produttiva, i materiali convalidati, il controllo dei processi e la tracciabilità diventano essenziali per la produzione di componenti pronti per il volo e per garantire la documentazione, la tracciabilità e il controllo dei processi necessari per i flussi di lavoro di produzione e qualificazione.
Come ci si aspetterebbe, la progettazione di un pezzo per la produzione additiva non si limita alla scelta del materiale. È necessario considerare l’orientamento di costruzione sin dalle prime fasi del processo di progettazione, poiché influisce sui requisiti dei supporti, sui canali interni, sulla qualità delle superfici, sulla precisione dimensionale e sulle prestazioni meccaniche. Progettare tenendo conto dell’orientamento aiuta a semplificare la rimozione dei supporti e il Post-processo, garantendo una qualità dei pezzi più uniforme.
È inoltre opportuno considerare, già in fase di progettazione, come i componenti verranno puliti, ispezionati e rifiniti, poiché riflettere su questi processi sin da subito contribuisce a semplificare la produzione, ridurre la variabilità e favorire una produzione ripetibile.
Abbiamo già parlato della riduzione del peso in un altro contesto, quindi, per evitare ripetizioni, ho deciso di concentrarmi in questa sede sul consolidamento dei pezzi
Poiché tratteremo il Post-processo in modo più dettagliato in seguito, vorrei che questa parte fosse incentrata sull’orientamento di stampa nella fase di progettazione.
Non esiste un materiale mono-materiale adatto a tutte le applicazioni UAV o VTOL. La scelta del materiale dipende dalla funzione del componente, dal carico di lavoro, dall’ambiente operativo, dai requisiti di qualificazione e dal volume di produzione. Per i programmi di difesa, la strategia più efficace in materia di materiali è spesso di natura pragmatica: utilizzare materiali collaudati, disponibili e ben caratterizzati, in grado di supportare una produzione ripetibile e di soddisfare i requisiti del programma.
è uno dei materiali per la produzione additiva (AM) più diffusi nel settore aerospaziale e della difesa. Combina un elevato rapporto resistenza-peso con eccellenti prestazioni termiche e caratteristiche di resistenza alla fiamma, al fumo e alla tossicità (FST), rendendolo particolarmente adatto per interni di aeromobili, alloggiamenti, condutture, staffe e componenti strutturali.
Per i programmi militari relativi a UAV e VTOL, il filamento ULTEM™ 9085 viene spesso scelto quando la leggerezza, la durata e la comprovata esperienza nel settore aerospaziale rappresentano le priorità principali. Grazie alla combinazione di prestazioni meccaniche e alla consolidata adozione nel settore aerospaziale, rappresenta una scelta ottimale per applicazioni di produzione e pronte per il volo.
Il materiale Nylon 12CF per sistemi FDM combina il nylon rinforzato con fibra di carbonio tritata per produrre componenti leggeri, ad alta resistenza e rigidità per strutture della cellula, staffe di montaggio e supporti per il carico utile. È ideale per applicazioni in cui è necessario un elevato rapporto resistenza-peso per massimizzare le prestazioni del velivolo.
Il materiale Antero® 840CN03 per FDM è un termoplastico a base di PEKK sviluppato per applicazioni esigenti nel settore aerospaziale e della difesa. Combina elevata resistenza meccanica, prestazioni termiche, resistenza chimica e proprietà di dissipazione elettrostatica (ESD), rendendolo particolarmente adatto per involucri avionici, connettori, staffe, condotti e componenti dei sistemi di missione che potrebbero essere esposti a carburanti, fluidi idraulici o componenti elettronici sensibili.
Per alcuni componenti degli UAV, i materiali PA12 con tecnologia SAF™ offrono una soluzione economicamente vantaggiosa per volumi di produzione più elevati. L’efficiente nesting, la qualità ripetibile dei pezzi e l’elevata produttività li rendono particolarmente adatti alla realizzazione di alloggiamenti, coperture, dispositivi di fissaggio e altri componenti polimerici leggeri, a seconda dei requisiti prestazionali e di qualificazione.
Passare da un prototipo di successo alla produzione non significa semplicemente aggiungere altre stampanti. Le aziende manifatturiere di UAV e VTOL necessitano di processi di costruzione ripetibili (spesso in più siti), flussi di lavoro controllati, Post-processo efficiente, materiali qualificati e un modello di produzione in grado di scalare senza creare un'eccessiva proliferazione di macchinari, un carico di lavoro eccessivo o complessità di assemblaggio.
I sistemi FDM® industriali sono in grado di produrre assemblaggi più grandi in un numero inferiore di stampe, riducendo così il numero di componenti, lo sforzo di assemblaggio e i tempi complessivi di produzione. Ciò migliora anche l’uniformità, la variabilità della produzione e la produttività. Questo aiuta a passare da stampe di prototipi frammentati a flussi di lavoro di produzione in serie ripetibili.
Per la produzione, l’orientamento di stampa deve essere standardizzato e documentato. L’orientamento può influire sulle prestazioni meccaniche, sulla precisione dimensionale, sulla qualità delle superfici, sui requisiti di supporto e sulla produttività. Una strategia di stampa coerente aiuta le aziende manifatturiere a migliorare la ripetibilità tra più stampe, macchine e operatori.
Gli UAV per la difesa e i velivoli VTOL devono spesso affrontare ambienti difficili in cui i componenti possono essere esposti a umidità, polvere, radiazioni UV, temperature estreme e usura operativa. Il post-processo aiuta a preparare i componenti stampati per queste condizioni.
A seconda dell’applicazione, ciò potrebbe includere la rimozione dei supporti, la finitura delle superfici, la sigillatura, il rivestimento, l’ispezione o i test di qualificazione. L’obiettivo è progettare parti e flussi di lavoro che garantiscano una manipolazione minima, una produttività prevedibile e una qualità ripetibile, al fine di ridurre lo sforzo di produzione migliorando al contempo la durata operativa e la prontezza per l’impiego sul campo.
Uno dei vantaggi della produzione additiva è che lo stesso flusso di lavoro digitale può supportare l’iterazione del progetto, l’attrezzaggio, la produzione ponte e la produzione di parti per uso finale. Le modifiche progettuali possono essere apportate direttamente dai file CAD, consentendo ai team di perfezionare i componenti mentre si procede verso una produzione a basso volume senza dover attendere nuovi stampi fissi.
Per molti programmi relativi agli UAV, la questione della produzione è anche una questione di “fare o acquistare”. Alcuni team potrebbero voler stampare internamente. Altri potrebbero aver bisogno di produzione esterna, produzione ponte o capacità di picco. Un modello “piattaforma più produzione” consente ai programmi di passare dalla capacità additiva interna al supporto di produzione Stratasys Direct man mano che cambiano la domanda, la qualificazione o i requisiti di capacità.
General Atomics ha adottato questo approccio in tutti i suoi programmi relativi ai velivoli senza pilota, stampando in 3D migliaia di parti, tra cui circa 240 parti per l’MQ-9B SkyGuardian.
La produzione additiva non è il processo più adatto per ogni componente di un UAV o per ogni volume di produzione. Dà il meglio di sé quando fattori quali peso, complessità, velocità di iterazione, volumi di produzione medio-bassi, rischi legati alla catena di approvvigionamento o variazioni specifiche della missione hanno maggiore importanza rispetto al minor costo unitario possibile.
Tra le applicazioni più adatte figurano:
Che stiate sviluppando una nuova piattaforma VTOL, ampliando un programma di UAV tattici o cercando un supporto qualificato per la produzione, Stratasys può aiutarvi a valutare in quali ambiti la produzione additiva possa ridurre il numero di componenti, semplificare gli assemblaggi, accelerare l'iterazione e supportare una produzione ripetibile.
Iniziate con un componente UAV rappresentativo, un assemblaggio o un collo di bottiglia nella produzione. Il nostro team può aiutarvi a valutare se la produzione additiva sia la soluzione più adatta e se la produzione debba avvenire internamente, tramite il nostro servizio di produzione conto terzi certificato e sicuro negli Stati Uniti, Stratasys Direct, oppure attraverso un modello ibrido di produzione propria e acquisto.
Contattate oggi stesso uno dei nostri esperti per scoprire di più, sia per discutere di applicazioni specifiche di stampa 3D sia per trovare risposte alle vostre domande sulla stampa 3D.
