Resumen: Esta guía analiza cómo la fabricación aditiva está transformando el desarrollo y la producción de UAV de defensa, aeronaves VTOL (despegue y aterrizaje vertical) y drones VTOL impresos en 3D. Descubre cómo los fabricantes aeroespaciales utilizan la impresión 3D para reducir el peso, consolidar piezas, acelerar el desarrollo, producir componentes listos para el vuelo y ampliar la producción utilizando materiales avanzados y flujos de trabajo homologados para el sector aeroespacial.
No todos los programas de UAV tienen los mismos requisitos de fabricación. Un UAS táctico de pequeño tamaño puede dar prioridad a la rapidez, a una producción con mínima intervención humana, a los materiales disponibles y a la iteración rápida. Un UAS más grande, del Grupo 4 o del Grupo 5, puede requerir una disciplina propia del sector aeroespacial en lo que respecta a la aeronavegabilidad, la homologación de materiales, el control de procesos, la trazabilidad y la fiabilidad a lo largo del ciclo de vida.
La fabricación aditiva ofrece mucho más que la creación rápida de prototipos para los programas de UAV y VTOL del sector de la defensa. Desde acelerar el desarrollo de aeronaves y reducir el peso hasta mejorar la resiliencia de la cadena de suministro y facilitar una producción conforme a la normativa, está ayudando a los fabricantes a abordar algunos de los retos de ingeniería más acuciantes del sector.
Una de las mayores oportunidades que ofrece la fabricación aditiva en los programas de UAV y VTOL no es simplemente imprimir piezas más rápido. Se trata de reducir el número de piezas que hay que fabricar, montar, inspeccionar, almacenar y mantener. A menudo, se pueden combinar múltiples componentes en una sola pieza impresa, lo que reduce la complejidad del montaje y los requisitos de utillaje. Al consolidar soportes, carcasas, conductos, fijaciones y elementos estructurales en un número menor de componentes, la fabricación aditiva también reduce la mano de obra de montaje, los controles de calidad y la complejidad logística.
Los programas de defensa a menudo necesitan adaptar las aeronaves a nuevas cargas útiles, sensores, requisitos de misión y entornos operativos. La fabricación aditiva permite a los equipos probar, perfeccionar y producir componentes actualizados sin tener que esperar a disponer de nuevas herramientas de fabricación. Por ejemplo, Aurora Flight Sciences utilizó la AM para desarrollar el primer UAV propulsado por reactor impreso en 3D del mundo, reduciendo a la mitad el tiempo de desarrollo, mientras que algunas piezas pasaron por más de 20 iteraciones de diseño antes del vuelo.
La fabricación aditiva permite crear estructuras ligeras y geometrías optimizadas que pueden mejorar el alcance, la autonomía, la capacidad de carga útil y el rendimiento general de la aeronave. Al colocar el material solo donde es necesario, los ingenieros pueden reducir el peso innecesario y seguir cumpliendo los requisitos mecánicos.
A medida que los programas de UAV pasan a la fase de producción, el reto pasa de imprimir una sola pieza satisfactoria a producir miles de piezas repetibles en diferentes configuraciones, máquinas, operarios e instalaciones. En un estudio de producción de Stratasys, la sustitución de seis impresoras de sobremesa distribuidas por una única impresora industrial FDM® redujo el tiempo total de producción en aproximadamente un 51 %, al tiempo que se redujo el número de piezas y la mano de obra de montaje.
La fabricación aditiva (AM) añade un nivel de resiliencia a las cadenas de suministro al permitir que las piezas, las herramientas y los componentes de recambio homologados se produzcan más cerca de donde se necesitan. En el caso de los programas de UAV para la defensa, esto puede reducir la exposición a plazos de entrega prolongados, a un abastecimiento frágil a través de terceros o que no cumpla con la NDAA, o a restricciones de inventario, especialmente cuando las piezas son de bajo volumen, específicas para una misión o difíciles de obtener a través de los canales convencionales. En este caso, las piezas de recambio impresas en 3D redujeron sus costes en un 88 %, al tiempo que contribuyeron a establecer una vía repetible para la fabricación de más componentes aeroespaciales homologados.
En la producción de UAV y VTOL, la selección de materiales, el control de procesos, la documentación, la inspección y la trazabilidad son esenciales. Stratasys respalda todo ello mediante materiales aptos para la producción, flujos de trabajo de fabricación aditiva controlados y las funciones del software GrabCAD, que permiten a los fabricantes documentar las impresiones, gestionar los datos de producción y garantizar la trazabilidad a lo largo de todo el proceso de fabricación. En conjunto, estas capacidades ofrecen a los equipos del sector aeroespacial y de defensa una vía controlada para producir componentes duraderos destinados al uso final con la repetibilidad y la confianza necesarias para la producción.
Los drones multirrotores utilizan varios rotores de sustentación para generar tanto sustentación como propulsión. Son mecánicamente sencillos y muy maniobrables, por lo que resultan muy adecuados para misiones de reconocimiento, vigilancia y de corto alcance.
Dado que los multirrotores dependen por completo de la sustentación generada por los rotores, cada gramo cuenta. Las estructuras ligeras ayudan a maximizar el tiempo de vuelo, la capacidad de carga útil y la eficiencia general. La fabricación aditiva también optimiza los fuselajes en cuanto a la distribución del peso, la integración de la carga útil y el comportamiento frente a las vibraciones de componentes clave como las carcasas de las baterías, los soportes de la carga útil y las cajas de aviónica, todos ellos adaptados a la misión de la aeronave.
Las aeronaves «Lift Plus Cruise» utilizan motores específicos para la sustentación vertical y sistemas de propulsión independientes para el vuelo hacia delante. Los diseños «QuadPlane» son un ejemplo habitual, ya que combinan la sustentación de los multirrotores con la eficiencia de los diseños de ala fija.
Estos drones suelen requerir múltiples carcasas, soportes, compartimentos para baterías y soportes de carga útil, además de estructuras aerodinámicas geométricamente complejas. La fabricación aditiva ayuda a consolidar estos componentes, reduciendo la complejidad del montaje y facilitando la producción de componentes ligeros y específicos para cada misión, que pueden adaptarse rápidamente a diferentes cargas útiles y requisitos de misión.
Las aeronaves de rotor basculante y ala basculante alternan entre el vuelo vertical y el horizontal girando los rotores o el propio ala. Esto les permite combinar el despegue y el aterrizaje propios de un helicóptero con velocidades más altas y alcances más largos que muchos otros diseños VTOL.
Son mecánicamente complejos, lo que aumenta la necesidad de estructuras, carcasas y soportes ligeros y, a menudo, de numerosas iteraciones de prototipos rápidos. La fabricación aditiva resulta útil cuando los equipos necesitan probar rápidamente cambios en el diseño o consolidar geometrías complejas que serían difíciles o costosas de fabricar de forma convencional.
Las aeronaves «tailsitter» despegan y aterrizan verticalmente sobre su cola antes de pasar al vuelo horizontal. No son tan comunes como otras arquitecturas VTOL, pero presentan un diseño mecánico más sencillo, lo que en ocasiones puede reducir el peso y la complejidad de fabricación.
Se pueden imprimir estructuras integradas y fuselajes ligeros que combinan múltiples funciones en un menor número de piezas. Y no debemos olvidar la iteración rápida, que es una de las principales ventajas de la fabricación aditiva, ya que permite a los ingenieros perfeccionar la estabilidad, el equilibrio y el rendimiento aerodinámico del dron tanto en el modo de vuelo vertical como en el horizontal.
El diseño para la fabricación aditiva certificada requiere algo más que optimizar el rendimiento de la aeronave. Los ingenieros también deben tener en cuenta cómo se fabricarán, homologarán y producirán las piezas de forma coherente a lo largo de todo el ciclo de vida del programa.
Las mejores aplicaciones de la fabricación aditiva suelen reducir algo más que el peso de la pieza. Reducen la carga total de producción: menos ensamblajes, menos elementos de fijación, menos pasos de unión, menos utillajes, menos puntos de inspección y menos artículos que gestionar en el inventario. En el caso de los programas de UAV, esto puede ser tan importante como el rendimiento de la propia pieza impresa.
Las aeronaves VTOL deben transportar sistemas de propulsión, baterías, cargas útiles y aviónica, al tiempo que se mantienen lo más ligeras y eficientes posible. La optimización topológica y el diseño generativo ayudan a los ingenieros a colocar el material únicamente donde contribuye a la resistencia y el rendimiento generales.
La fabricación aditiva hace que resulte más práctico producir estas geometrías optimizadas sin las limitaciones de utillaje a las que quizá esté acostumbrado en la fabricación tradicional. Aurora Flight Sciences, por ejemplo, utilizó la topología optimizada para eliminar material innecesario, crear un fuselaje rígido y ligero, y combinar múltiples componentes en una sola pieza.
La impresión 3D permite a los ingenieros consolidar soportes, carcasas, conductos y elementos de montaje en un número menor de componentes, creando conjuntos más sencillos con menos uniones pegadas y menos pasos de montaje. Estos diseños son más fáciles de fabricar de forma consistente y contribuyen a la repetibilidad necesaria para una producción aeroespacial certificada.
La elección del material adecuado es fundamental en el sector aeroespacial, donde los componentes deben soportar combustibles, fluidos hidráulicos, temperaturas extremas y otras condiciones de funcionamiento exigentes, al tiempo que permiten una fabricación validada y apta para la producción.
A medida que la fabricación aditiva se va incorporando a la producción, los materiales validados, el control de procesos y la trazabilidad se vuelven esenciales para producir componentes listos para el vuelo y para garantizar la documentación, la trazabilidad y el control de procesos necesarios para los flujos de trabajo de producción y homologación.
Como es de esperar, diseñar una pieza para la fabricación aditiva implica mucho más que elegir un material. Debes tener en cuenta la orientación de la impresión desde el principio del proceso de diseño, ya que afecta a los requisitos de soportes, los canales internos, la calidad de la superficie, la precisión dimensional y el rendimiento mecánico. Diseñar teniendo en cuenta la orientación ayuda a simplificar la retirada de los soportes y el posprocesamiento, lo que se traduce en una calidad más uniforme de las piezas.
También hay que tener en cuenta cómo se limpiarán, inspeccionarán y acabarán las piezas durante la fase de diseño, ya que pensar en estos procesos desde el principio ayuda a simplificar la fabricación, reducir la variabilidad y facilitar una producción repetible.
Ya hablamos de la reducción de peso en otra sección, así que, para evitar repeticiones, he reorientado este apartado hacia la consolidación de piezas
Dado que más adelante trataremos el posprocesamiento con más detalle, me gustaría centrar esta parte en la orientación de la impresión durante la fase de diseño.
No existe un único material válido para todas las aplicaciones de UAV o VTOL. La selección del material depende de la función de la pieza, el caso de carga, el entorno operativo, los requisitos de homologación y el volumen de producción. En los programas de defensa, la estrategia más sólida en materia de materiales suele ser pragmática: utilizar materiales probados, disponibles y bien caracterizados que permitan una fabricación repetible y cumplan los requisitos del programa.
es uno de los materiales de fabricación aditiva más utilizados en los sectores aeroespacial y de defensa. Combina una elevada relación resistencia-peso con un excelente rendimiento térmico y unas excelentes características de resistencia al fuego, al humo y a la toxicidad (FST), lo que lo hace muy adecuado para interiores de aeronaves, carcasas, conductos, soportes y componentes estructurales.
En los programas militares de UAV y VTOL, el filamento ULTEM™ 9085 suele ser la opción elegida cuando la ligereza, la durabilidad y la trayectoria en el sector aeroespacial son las principales prioridades. Gracias a su combinación de rendimiento mecánico y su consolidada adopción en el sector aeroespacial, es una opción sólida para aplicaciones de producción y listas para el vuelo.
El material de nailon 12CF para sistemas FDM combina nailon reforzado con fibra de carbono triturada para producir componentes ligeros, de alta resistencia y rigidez para estructuras de fuselaje, soportes de montaje y soportes de carga útil. Es ideal para aplicaciones en las que se necesita una alta relación rigidez-peso para maximizar el rendimiento de la aeronave.
El material Antero® 840CN03 para FDM es un termoplástico a base de PEKK desarrollado para aplicaciones exigentes en los sectores aeroespacial y de defensa. Combina una elevada resistencia mecánica, buen comportamiento térmico, resistencia química y propiedades disipadoras de electricidad estática (ESD), por lo que resulta muy adecuado para carcasas de aviónica, conectores, soportes, conductos y componentes de sistemas de misión que puedan estar expuestos a combustibles, fluidos hidráulicos o componentes electrónicos sensibles.
En el caso de algunos componentes de vehículos aéreos no tripulados (UAV), los materiales PA12 con tecnología SAF™ ofrecen una solución rentable para volúmenes de producción más elevados. La eficiencia en la disposición de piezas, la calidad repetible de las mismas y el alto rendimiento los hacen idóneos para carcasas, cubiertas, accesorios y otros componentes poliméricos ligeros, en función de los requisitos de rendimiento y homologación.
Pasar de un prototipo exitoso a la producción no es simplemente cuestión de añadir más impresoras. Los fabricantes de UAV y VTOL necesitan procesos de fabricación repetibles (a menudo en múltiples centros), flujos de trabajo controlados, un posprocesamiento eficiente, materiales homologados y un modelo de producción que pueda escalarse sin generar una proliferación innecesaria de maquinaria, una carga de mano de obra excesiva ni una complejidad de montaje excesiva.
Los sistemas industriales FDM® pueden producir conjuntos más grandes en menos operaciones de impresión, lo que reduce el número de piezas, el esfuerzo de montaje y el tiempo total de producción. Esto también mejora la uniformidad, la variabilidad de la producción y el rendimiento. De este modo, se facilita la transición de la impresión fragmentada de prototipos a flujos de trabajo de producción en serie repetibles.
Para la producción, la orientación de impresión debe estandarizarse y documentarse. La orientación puede afectar al rendimiento mecánico, la precisión dimensional, la calidad de la superficie, los requisitos de soportes y el rendimiento. Una estrategia de impresión coherente ayuda a los fabricantes a mejorar la repetibilidad en múltiples impresiones, máquinas y operadores.
Los UAV de defensa y las aeronaves VTOL a menudo tienen que hacer frente a entornos hostiles en los que los componentes pueden verse expuestos a la humedad, el polvo, la radiación UV, temperaturas extremas y el desgaste operativo. El posprocesamiento ayuda a preparar los componentes impresos para estas condiciones.
Dependiendo de su aplicación, esto podría incluir la retirada de soportes, el acabado superficial, el sellado, el recubrimiento, la inspección o las pruebas de homologación. El objetivo es diseñar piezas y flujos de trabajo que requieran una manipulación mínima, ofrezcan un rendimiento predecible y garanticen una calidad repetible, con el fin de reducir el esfuerzo de fabricación y, al mismo tiempo, mejorar la durabilidad operativa y la preparación para el despliegue sobre el terreno.
Una de las ventajas de la fabricación aditiva es que el mismo flujo de trabajo digital puede dar soporte a la iteración del diseño, la creación de utillaje, la producción puente y las piezas seleccionadas para uso final. Los cambios de diseño pueden realizarse directamente a partir de archivos CAD, lo que permite a los equipos perfeccionar los componentes mientras avanzan hacia la producción a bajo volumen sin tener que esperar a disponer de nuevo utillaje físico.
En muchos programas de UAV, la cuestión de la producción es también una cuestión de «fabricar o comprar». Algunos equipos pueden preferir imprimir internamente. Otros pueden necesitar producción externa, fabricación puente o capacidad de respuesta ante picos de demanda. Un modelo de «plataforma más producción» permite a los programas alternar entre la capacidad aditiva interna y el apoyo de fabricación de Stratasys Direct a medida que cambian los requisitos de demanda, homologación o capacidad.
General Atomics utilizó este enfoque en todos sus programas de aeronaves no tripuladas, imprimiendo en 3D miles de piezas, incluidas unas 240 piezas para el MQ-9B SkyGuardian.
La fabricación aditiva no es el proceso adecuado para todos los componentes de los UAV ni para todos los volúmenes de producción. Resulta más eficaz cuando el peso, la complejidad, la velocidad de iteración, la producción de volumen bajo a medio, el riesgo de la cadena de suministro o las variaciones específicas de cada misión son más importantes que el menor coste unitario posible.
Entre las aplicaciones más adecuadas se incluyen:
Tanto si está desarrollando una nueva plataforma VTOL, ampliando un programa de UAV tácticos o buscando apoyo cualificado para la producción, Stratasys puede ayudarle a evaluar en qué aspectos la fabricación aditiva puede reducir el número de piezas, simplificar los ensamblajes, acelerar la iteración y facilitar una producción repetible.
Empiece por un componente, un ensamblaje o un cuello de botella de producción representativo de un UAV. Nuestro equipo puede ayudarle a evaluar si la fabricación aditiva es la opción adecuada y si la producción debe realizarse internamente, a través de nuestro servicio de fabricación por contrato certificado y seguro en EE. UU., Stratasys Direct, o mediante un modelo híbrido de fabricación propia y compra externa.
Póngase en contacto hoy mismo con uno de nuestros expertos para obtener más información, ya sea para hablar de aplicaciones específicas o para encontrar respuestas a sus preguntas sobre la impresión 3D.
