Uno dei fattori chiave dietro il crescente utilizzo delle leghe di titanio è la diffusa applicazione dei compositi in fibra di carbonio nella produzione aerospaziale. Le leghe di titanio e i compositi in fibra di carbonio mostrano un'eccellente compatibilità, offrendo non solo elevata robustezza e resistenza alla corrosione, ma anche un'efficace riduzione del peso, rendendoli particolarmente adatti per aree ad alto-stress e componenti critici a contatto con materiali compositi. Tuttavia, questa impennata nell'utilizzo delle leghe di titanio rappresenta una doppia sfida per i produttori aerospaziali: in primo luogo, le leghe di titanio sono metalli di alto-valore e i processi di forgiatura tradizionali comportano un utilizzo estremamente basso dei materiali, con fino all'80%-95% delle materie prime potenzialmente sprecate durante la lavorazione, ponendo una sfida al perseguimento della produzione snella e dello sviluppo sostenibile da parte dell'industria aerospaziale. In secondo luogo, l’ottimizzazione continua delle prestazioni degli aeromobili si basa sempre più su una progettazione strutturale più efficiente e leggera, mentre i processi di produzione tradizionali spesso devono affrontare limitazioni quali costi elevati, tempi di consegna lunghi o irrealizzabilità tecnica quando si realizzano strutture integrate complesse. Esiste quindi un metodo di produzione in grado di affrontare contemporaneamente il problema urgente dello spreco di materiale e sbloccare il potenziale futuro di progetti strutturali complessi? Airbus, un produttore aerospaziale, ha risposto a queste domande con la sua tecnologia di produzione additiva wire-directed Energy Deposition (w-DED), che utilizza da molti anni.
Come funziona w-DED?
Airbus spiega che la tecnologia utilizza un braccio robotico multi-asse dotato di una bobina di filo in lega di titanio, che si muove con precisione secondo un modello digitale. Concentrando l'energia come laser, plasma o fasci di elettroni sul filo, questo viene immediatamente fuso e depositato strato dopo strato su un substrato. In apparenza, il processo assomiglia alla saldatura, ma in realtà è interamente controllato da un modello tridimensionale, in grado di "stampare" il materiale dal basso verso l'alto in una cosiddetta "parte grezza". Questa parte vuota è già molto vicina alla forma finale desiderata, raggiungendo uno stato di "forma quasi-netta-" ed è necessaria solo una finitura rapida per soddisfare i requisiti dimensionali precisi della parte.
Sbloccare il potenziale dei componenti strutturali in lega di titanio per aeromobili di grandi dimensioni
Sbloccare il potenziale dei componenti strutturali in lega di titanio per aeromobili di grandi dimensioni
Sebbene la tecnologia di stampa 3D in metallo sia utilizzata nel campo aerospaziale da circa un decennio, in precedenza era limitata principalmente a piccole parti. I sistemi di stampa 3D “a letto di polvere” vengono generalmente utilizzati per produrre parti più corte di 60 centimetri (circa due piedi). Al contrario, la tecnologia w-DED ha consentito ad Airbus di superare i limiti dimensionali, producendo componenti strutturali di grandi dimensioni in lega di titanio fino a sette metri (oltre 23 piedi) di lunghezza. Il nuovo processo promette velocità di produzione di diversi chilogrammi di materiale all’ora. Ciò rende possibile la produzione su larga scala-industriale-della tecnologia di stampa 3D per componenti strutturali di aerei commerciali di grandi dimensioni.
Contribuire a ridurre gli sprechi di materie prime di titanio
Nell'attuale ricerca di una produzione sostenibile e snella, i tradizionali processi di forgiatura faticano a soddisfare i rigorosi requisiti di controllo dei costi e di efficienza delle risorse dei produttori aerospaziali. Uno dei motivi principali per cui Airbus ha introdotto la produzione additiva DED è evitare sprechi di materiale durante la lavorazione fin dall’inizio. Questo perché, nella produzione additiva DED, le parti vengono sviluppate strato-per-strato in una forma quasi-netta-, somigliando molto alla forma del progetto finale, richiedendo solo una lavorazione successiva minima.
Migliorare l’agilità nello sviluppo degli aeromobili
I tradizionali processi di forgiatura richiedono la produzione di stampi grandi e complessi, un processo che può richiedere fino a due anni e richiede notevoli investimenti iniziali. Al contrario, la forma delle parti stampate in 3D- è interamente definita da programmi informatici, riducendo i cicli di consegna a poche settimane. L'agilità offerta da w-DED è particolarmente vantaggiosa per la produzione regolare e tempestiva del primo prototipo-anche mentre i progetti dettagliati sono ancora in fase di perfezionamento-e ottimizzati, la tecnologia supporta la rapida iterazione dei componenti fisici fino all'assemblaggio finale dell'intero velivolo.
Prima convalida nella produzione dell'A350
Airbus ha recentemente avviato l'integrazione della produzione di massa di componenti di grandi dimensioni realizzati utilizzando la tecnologia w-DED nella struttura perimetrale del portellone cargo dell'aereo A350. In questa fase esplorativa, queste parti specifiche, progettate da Airbus, vengono stampate utilizzando la tecnologia plasma w-DED da fornitori qualificati, quindi testate a ultrasuoni da Testia Bremen e infine rifinite e assemblate negli stabilimenti di Airbus. Queste parti sono funzionalmente e geometricamente identiche alle tradizionali parti forgiate che sostituiscono, ma hanno consentito un notevole risparmio sui costi. Guardando al futuro, Airbus prevede di utilizzare i componenti w-DED dell'A350 come punto di partenza per estendere gradualmente questa tecnologia ad altri progetti e alle parti più critiche dell'aereo (a lungo termine, comprese le ali e il carrello di atterraggio).
Progettato per DED
Ancora più importante, questa tecnologia ha dato origine al nuovo concetto di “progettato per DED”. Gli ingegneri non hanno più bisogno di scomporre componenti complessi in più parti indipendenti per la produzione e l'assemblaggio separati; possono invece progettarli come un unico componente integrato strutturalmente ottimizzato e stamparli in una sola volta. Questa capacità di integrare più parti in un unico componente semplificherà in modo efficace la catena di fornitura, ridurrà le fasi di assemblaggio e accorcerà i cicli di produzione, realizzando così pienamente il potenziale degli aerei di prossima-generazione basati su concetti di progettazione 3D.
Promozione dell'applicazione manifatturiera di componenti chiave
Attualmente, Airbus e i suoi partner stanno facendo grandi passi avanti nell'accumulare esperienza nella produzione di componenti chiave utilizzando la tecnologia w-DED (wafer-to-find) e hanno ottenuto progressi incoraggianti. Gli ingegneri stanno testando varie fonti di energia, tra cui plasma, saldatura ad arco, fasci di elettroni e raggi laser, e valutando contemporaneamente strategie di "outsourcing" (appalto della stampa a produttori esterni) e di "produzione interna" (produzione interna). Inoltre, questa tecnologia sarà standardizzata a livello del Gruppo Airbus per garantirne l'applicazione e la promozione in tutta l'azienda.
Avanzare sistematicamente la logica dell’aeronavigabilità
L'aspetto più impegnativo e dispendioso in termini di tempo della certificazione di aeronavigabilità è il riconoscimento della sicurezza, ovvero come dimostrare che i materiali sono sicuri. L'industria manifatturiera dell'aviazione civile internazionale ha accumulato esperienza in molti anni di pratica. Quando parliamo di certificazione di aeronavigabilità ci riferiamo in realtà alla certificazione di parti di aeromobili, che coinvolge tre aspetti: materiali, processi e progettazione. La produzione additiva-la tecnologia di stampa 3D-coinvolge tutti e tre gli elementi. Innanzitutto, la produzione additiva è un processo di produzione. Nel frattempo, per massimizzare il valore di questa tecnologia è necessario progettare la produzione additiva. L’utilizzo di nuovi materiali nella produzione additiva di parti aggiunge un altro elemento che richiede la verifica della sicurezza. Pertanto, l’approccio più sicuro è risolvere questo problema passo dopo passo, riducendo al minimo i rischi. L'approccio di Airbus alla produzione additiva DED in lega di titanio rispecchia la logica dell'aeronavigabilità in "tre-fasi" discussa nell'intervista sopra. Innanzitutto, a partire dalle strutture portanti secondarie-come le porte cargo dell'A350, è stata verificata l'affidabilità del processo w-DED stesso mantenendo materiali e design invariati. Successivamente, si è gradualmente esteso alle strutture portanti primarie-, promuovendo l'ottimizzazione "progettata per DED". Attualmente, l’attenzione è rivolta a sbloccare il potenziale dei materiali tradizionali con nuovi processi, piuttosto che sfidare contemporaneamente percorsi completamente nuovi in termini di materiali, processi e progettazione. Questo approccio graduale e controllato dal rischio-non solo riflette il ritmo necessario nell'industrializzazione ma rivela anche l'essenza della produzione additiva aerospaziale-non è solo innovazione tecnologica ma anche un progetto sistematico di "costruzione di fiducia". Come trasformare l'innovazione tecnologica in un valore affidabile che possa essere certificato e prodotto in serie nel quadro dell'aeronavigabilità, e i tempi sottostanti, la stratificazione del rischio e la logica di verifica, potrebbero essere più degni di profonda considerazione da parte del settore rispetto a dettagli tecnici specifici.