PUNTO DE VISTA: La tecnología aditiva revoluciona la fabricación de defensa

FABRICACIÓN DE PUNTO DE VISTA

Foto del Departamento de Defensa

Desde imprimir piezas únicas hasta permitir reparaciones rápidas in situ, la fabricación aditiva está revolucionando la base industrial. Las innovaciones en materiales y procesos han abierto nuevas posibilidades, que a su vez están alimentando el interés en la tecnología.

A medida que mercados como el automovilístico, el aeroespacial y el sanitario adopten capacidades aditivas, las oportunidades no harán más que aumentar. Según datos de Grand View Research Inc., la industria mundial de fabricación aditiva podría dispararse hasta alcanzar los 76.160 millones de dólares en 2030. Esto representa una tasa de crecimiento anual compuesta del 20,8 por ciento, superando con creces la trayectoria del sector manufacturero en general.

Para el ejército, la fabricación aditiva tiene la capacidad de abordar las vulnerabilidades del diseño, como las debilidades físicas de los productos que utilizan métodos de fabricación tradicionales. Mientras tanto, los organismos federales y de la industria están apostando por su potencial para resolver problemas de larga data en la cadena de suministro.

Sin embargo, a pesar de los avances prometedores, el sector de la defensa todavía tiene un obstáculo importante que superar. Para lograr una implementación generalizada, los fabricantes de todos los niveles de la red de distribución deben estar dispuestos a invertir. Pero en la actualidad, las corporaciones de gran escala constituyen la mayoría de los adoptantes.

Si bien la fabricación aditiva suele considerarse una tecnología emergente, los primeros usos militares se remontan a finales de la década de 1980, cuando los ingenieros comenzaron a desarrollar tecnología aditiva. Sin embargo, el uso inicial de la terminología varió. No fue hasta la década de 2000 que los comentaristas de la industria popularizaron el término "fabricación aditiva".

Implementar una nueva tecnología, especialmente una que carece de estándares para toda la industria, es una tarea ardua. Las ramas militares estadounidenses son algunas de las organizaciones más extensas y complejas del mundo. Sólo el ejército cuenta con más de dos millones de efectivos. Sin un lenguaje coherente y un conocimiento limitado de la tecnología, pocos de los que trabajaban en la industria en las décadas de 1980 y 1990 entendieron el potencial de la fabricación aditiva. Como resultado, la defensa quedó a la zaga de otros sectores en su aceptación.

Dicho esto, durante las últimas tres décadas, el ejército ha trabajado consistentemente para integrarlo en sus funciones de investigación y desarrollo. A medida que cada rama exploraba nuevas formas de incorporar tecnología aditiva en sus procesos, investigadores e ingenieros identificaron espacios donde la fabricación aditiva podría llenar vacíos y abordar desafíos. Al principio, se trataba principalmente de casos de uso en los que la tecnología podía complementar las técnicas de fabricación convencionales, por ejemplo, imprimir guías de herramientas, plantillas y accesorios.

A principios de 2016 se produjo un punto de inflexión cuando el Departamento de Defensa inició una serie de talleres para explorar el uso de la impresión 3D en el ejército. Esos hallazgos se convirtieron en un informe que proporcionó una hoja de ruta para la utilización generalizada de estas técnicas por parte de los militares.

Hoy en día, cada rama del ejército tiene la fabricación aditiva representada en sus carteras de investigación y desarrollo, desde la comunidad de práctica de fabricación avanzada del Laboratorio de Investigación del Ejército hasta el Intercambio Técnico de Fabricación Aditiva de la Armada. Durante la última década, estas ramas organizativas se han apoyado cada vez más en la fabricación aditiva para mejorar los esfuerzos de producción en la base y en el campo.

En noviembre de 2022, la Armada instaló por primera vez de forma permanente una impresora 3D de metal a bordo de uno de sus barcos. La máquina, que imprime acero inoxidable, equipará al equipo con capacidades de fabricación a nivel industrial, permitiéndoles producir piezas bajo demanda que antes no estaban disponibles. Al reducir la dependencia de proveedores externos, la tecnología permitirá una nueva autosuficiencia en los barcos y las tripulaciones, lo que ayudará a la Armada a superar los retrasos en los plazos de entrega y los problemas de obsolescencia.

El metal no es el único material con el que están experimentando los militares. Desde 2015, ingenieros del Cuerpo de Ingenieros del Ejército, el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros y el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de la Construcción han estado trabajando para desarrollar tecnología que pueda imprimir estructuras a escala de construcción, como edificios y puentes.

A través del programa Additive Construction, que ya va por su sexto año, estos ingenieros han desarrollado más de cinco máquinas de gran tamaño capaces de imprimir hormigón. Hasta ahora, el equipo detrás de esto ha producido con éxito dos edificios de 512 pies cuadrados junto con construcciones de menor escala, incluidas barreras y refugios para guardias. Este método de construcción puede ahorrar costos de mano de obra y reducir el tiempo de planificación al tiempo que mejora la resistencia y estabilidad de una estructura.

La tecnología aditiva también puede resolver los problemas planteados por las limitaciones de los métodos de producción convencionales. Anunciado en 2020, el Proyecto Jointless Hull tiene como objetivo hacer precisamente eso.

Los analistas estiman que, desde la Guerra de Vietnam, aproximadamente el 73 por ciento de las pérdidas de vehículos se debieron a explosiones en los bajos. De hecho, fueron la principal causa de muerte entre las tropas estadounidenses desplegadas en Irak y Afganistán.

Debido a que los fabricantes producen cascos de vehículos soldando varias piezas, los bajos de los vehículos tienen juntas, y estos puntos débiles los hacen vulnerables a las bombas en las carreteras. El Proyecto Jointless Hull utilizará tecnología aditiva para imprimir cascos de combate únicos y sin costuras, eliminando las debilidades en las carrocerías de los vehículos. Esto mejorará la resistencia de los vehículos terrestres y reducirá el daño causado por estos ataques, aumentando en última instancia la capacidad de supervivencia.

Los ingenieros que trabajan en el Proyecto Jointless Hull han producido varios sistemas de fabricación híbridos de metal, uno de los cuales tiene un volumen de construcción de casi 30x20x12 pies, lo que la convierte en la impresora 3D de metal híbrido más grande del mundo. Gracias a la flexibilidad de la tecnología aditiva, las máquinas también pueden realizar otras tareas, incluida la reparación de otros componentes metálicos de gran tamaño. Esto le da a la fabricación aditiva una ventaja sustancial sobre métodos como la fundición, donde los moldes solo pueden producir un producto.

Con su amplia aplicabilidad, la fabricación aditiva podría impulsar notablemente el ritmo, la agilidad y la capacidad de los proveedores estadounidenses, proporcionando un antídoto muy necesario a las recientes dificultades de la cadena de suministro. Sin embargo, para lograrlo, los fabricantes deben implementarlo a escala.

Incluso antes de la pandemia, el Departamento de Defensa estaba lidiando con las vulnerabilidades de la cadena de suministro, especialmente en el caso de la microelectrónica como los semiconductores. A medida que la COVID-19 se propagó, los confinamientos y la escasez de mano de obra paralizaron la producción de materiales y productos terminados. Sin suficientes trabajadores disponibles para transportar productos, los tiempos de entrega se ralentizaron. Y sin personal disponible para recibir carga, los barcos atascaron los puertos. Mientras tanto, el conflicto geopolítico no hizo más que exacerbar la situación.

Como la mayoría de los sectores de la industria, la fabricación de defensa sintió el impacto. Desde el acero y el aluminio utilizados para construir barcos y aviones hasta piezas pequeñas como frenos y engranajes, la dependencia del sector de piezas y materiales fabricados en el extranjero se volvió repentinamente insostenible.

La Asociación de Industrias Aeroespaciales descubrió que en 2020, el sector aeroespacial y de defensa perdió más de 87.000 puestos de trabajo. La asociación estimó que las dificultades en la cadena de suministro fueron responsables del 64 por ciento de esas pérdidas, y las pequeñas y medianas empresas soportaron la mayor parte de la carga. La escasez afecta especialmente a los proveedores pequeños y medianos especializados en piezas de bajo volumen y alta mezcla.

Las ramificaciones, sin embargo, van mucho más allá de la salud de la economía. Dentro de la fabricación de defensa, la ausencia de materiales, piezas y productos críticos que impulsen la inflación y devoren las ganancias en otros sectores puede convertirse rápidamente en un problema de seguridad nacional.

Con este desafío en mente, en mayo de 2022, la administración Biden se asoció con varios fabricantes importantes para lanzar AM Forward. A través de esta iniciativa múltiple, el gobierno espera aprovechar la capacidad de las tecnologías aditivas para impulsar la producción nacional y mejorar la preparación de la cadena de suministro.

Con el apoyo de la Organización de Investigación de Ciencia y Tecnología Aplicadas de América (ASTRO), AM Forward ayudará a las empresas estadounidenses a cerrar la brecha hacia la adopción, ayudándolas a cerrar acuerdos, comprar equipos y capacitar a los trabajadores. Este programa voluntario une a los principales fabricantes con empresas más pequeñas con sede en Estados Unidos. Entre los participantes se encuentran GE Aviation, Honeywell, Lockheed Martin, Raytheon y Siemens Energy.

Cada uno se comprometerá a obtener un porcentaje de piezas producidas aditivamente de proveedores nacionales, incentivando así la adopción de la fabricación aditiva en los talleres de todo el país. Los participantes también comprometerán recursos para la capacitación y la educación, incluso a través de programas universitarios y de escuelas técnicas y el desarrollo de la fuerza laboral.

AM Forward también pretende abordar otro problema generalizado. A pesar de la creciente popularidad de la impresión 3D, la industria todavía carece de directrices coherentes para las tecnologías y productos de fabricación aditiva. A través de AM Forward, la investigación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología tiene como objetivo cambiar esto mediante el desarrollo y distribución de nuevos estándares de alta prioridad.

Ágiles, ágiles y flexibles, las capacidades avanzadas de la tecnología aditiva podrían cambiar la faz de la fabricación. Los datos de ASTRO America estiman que la tecnología aditiva podría reducir los tiempos de entrega de las piezas hasta en un 90 por ciento cuando se utiliza en lugar de métodos prolongados como la forja y la fundición.

Los beneficios no terminan ahí. La tecnología, que normalmente produce muchos menos desechos que los métodos de producción tradicionales, podría reducir los costos de materiales en un 90 por ciento y al mismo tiempo reducir el consumo de energía en un 50 por ciento.

A pesar de la evidencia clara de que la fabricación aditiva puede aumentar la productividad, recortar costos y mejorar la preparación, la adopción de la tecnología aditiva por parte del sector de defensa ha sido relativamente lenta. Muchos fabricantes apenas están empezando a comprender las enormes posibilidades de la fabricación aditiva. Los fabricantes más pequeños, que suelen estar más expuestos a las interrupciones de la cadena de suministro, han tardado especialmente en darse cuenta de este potencial.

Afortunadamente, la comunidad está creciendo. Al mismo tiempo, quienes trabajan fuera del campo se vuelven más conscientes de los recursos disponibles para ellos. SME, una asociación para profesionales de la industria manufacturera, ofrece eventos, capacitación y certificación para quienes trabajan con herramientas de tecnología aditiva que podrían ayudar a los fabricantes nacionales a mejorar las habilidades de su fuerza laboral.

Como industria, es crucial que sigamos invirtiendo en esfuerzos para acelerar el conocimiento y la adopción. Al hacerlo, podemos aumentar la capacidad de fabricación estadounidense, introducir nuevas innovaciones y mejorar los sistemas que apoyan al ejército. NDLarry (LJ) R. Holmes Jr. es el director ejecutivo de investigación e ingeniería de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Harrisburg, donde dirige el desarrollo y operación de un Instituto de Investigación de Manufactura Avanzada. También se desempeña como director de relaciones gubernamentales en nScrypt en Orlando, Florida, y jefe de fabricación en la Organización de Investigación de Ciencia y Tecnología Aplicadas de América.

Temas:Vigilancia de defensa, tecnologías emergentes

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