Impresión 3D en campo revoluciona las reparaciones militares

Cuando se trata de manufactura aditiva (AM), el Cuerpo de Marines de Estados Unidos enfrenta versiones extremas de la oportunidad y los dilemas que enfrentan muchos talleres metalmecánicos.

La oportunidad: La manufactura aditiva (AM), particularmente en metal, ofrece una manera esperanzadora de obtener piezas en lotes pequeños rápidamente. Para una compañía, el beneficio es simplemente llenar el pedido rápidamente. Pero para los Marines, el beneficio podría ser reemplazar un componente roto para restaurar una pieza de equipo inutilizado y poderlo usar.

Los dilemas son estos: los sistemas de manufactura aditiva metálica son, generalmente, costosos y voluminosos en relación con el tamaño de las piezas que producen y son, además, difíciles de usar debido a las consideraciones de seguridad necesarias para el manejo de metal en polvo. Estos factores son problemáticos para un taller metalmecánico y prohibitivos cuando se trata de la posibilidad de permitir que los Marines usen la impresión 3D de metal en campo.

Para los Marines una preocupación más es que la impresión 3D en metal debería funcionar junto con el mecanizado CNC en una sola configuración, para obtener la pieza lo más rápido posible. Es decir, el interés de los infantes de marina es un equipo AM “híbrido” que combine operaciones aditivas y sustractivas.

Impresión 3D de metales: ventajas para operaciones militares

Por todas estas razones, una pequeña fresadora CNC con un cabezal de impresión 3D de metal adicional constituye el corazón de un sistema que el 1er Grupo de Logística Marítima (MLG) en Camp Pendleton, California, evalúa para realizar reparaciones y reemplazos a los elementos de hardware en campo, lejos de las cadenas de suministro tradicionales.

La máquina-herramienta de aditivos/sustractivos, junto con dos impresoras 3D de polímeros opera dentro de una instalación de manufactura de aditivos híbridos autocontenida a la que los infantes de marina se refieren como la unidad “ExMan”, que es la abreviatura de Manufactura Expedicionaria. ExMan representa potencialmente el recurso más efectivo, hasta ahora, para permitir que el personal desplegado sea autosuficiente para satisfacer sus propias necesidades críticas de hardware.

Además, la experiencia del equipo de la 1ª MLG con este sistema ofrece un modelo de cómo un fabricante establecido podría proceder con aditivos, porque los Marines están siguiendo una curva de aprendizaje comparable a la que podría esperar un taller metalmecánico.

Un ejemplo de esto se relaciona con el reconocimiento de los casos de uso. El sargento de artillería Travis Arndt es parte del equipo que desarrolla y evalúa las capacidades del ExMan. “Tener suministros de hardware en el punto de necesidad siempre es un problema”.

Por ejemplo, un engrane de piñón de la columna de dirección roto puede hacer que un Humvee no funcione, pero obtener esta pieza de reemplazo lo suficientemente rápido como para que el problema sea resuelto podría ser casi imposible.

Para responder a problemas como este, los infantes de marina han realizado durante mucho tiempo la manufactura en campo. Los talleres metalmecánicos portátiles existentes ofrecen capacidades de fresado o torneado. Sin embargo, una pieza como un piñón es demasiado complicada para sistemas como estos, por múltiples razones.

La pieza es demasiado compleja para hacerla en un torno o fresadora en un entorno exigente, y transportar suficiente materia prima para estar preparada para hacer una pieza como esta representaría un problema, ya que mecanizar un eje con dientes de engranaje fuera de la culata sólida significaría cortar mucho material.

Ahora, el sargento de artillería Arndt indica que el desafío y la oportunidad de la manufactura aditiva radica en el cambio de mentalidad necesaria para reevaluar desafíos como este. Los infantes de marina, al igual que los talleres que adoptan la manufactura aditiva, deben replantear las suposiciones de larga data acerca de qué tipos de piezas pueden fabricarse ahora rápidamente.

Otro descubrimiento revelador que los marines han hecho se relaciona con el personal. La capacidad aditiva avanza mejor a través del esfuerzo y la imaginación de aquellos más interesados ​​en explorarla, no necesariamente a través de la aplicación de cualquier habilidad preexistente. Nueve personas de la 1ª MLG, hasta ahora, han recibido capacitación sobre el sistema ExMan.

Aquellos con la necesaria “mentalidad innovadora”, en palabras del sargento Arndt Gunnery, han tendido a autoseleccionarse, ofreciéndose como voluntarios para esta oportunidad. El resultado ha sido una mezcla diversa de áreas de habilidades, con operarios, mecánicos de automóviles, técnicos de electrónica, técnicos de calibración y soldadores que utilizan el sistema. Todos son capaces de prosperar e innovar con él y, de hecho, la diversidad ha demostrado ser valiosa para encontrar aplicaciones en las que un aditivo pueda ser eficaz.

¿La manufactura aditiva híbrida de metal es un recurso para creación de piezas, un recurso para creación de herramientas, un recurso para reparación? Depende de la necesidad, y depende de la perspectiva del usuario particular que piensa acerca de esta capacidad.

Deposición sin protección especial

El equipo del sargento Arndt comenzó la búsqueda de la capacidad de impresión 3D en metal en respuesta a una iniciativa de la Infantería de Marina para aprovechar la manufactura aditiva de la mejor manera posible. Esa búsqueda se vio obstaculizada al principio, ya que se consideró que los sistemas de fusión por láser selectivos en lecho de polvo no eran adecuados para su despliegue y su uso en campo, dado su costo, tamaño y requisitos de seguridad.

Los marines, en cambio, encontraron la respuesta que creían que estaban buscando cuando conocieron a Karl Hranka, fundador de la empresa californiana 3D Hybrid Solutions, que suministra cabezales adicionales para impresión 3D en metal a través de varios métodos de deposición de metales, incluida la fusión con láser de aspersión de polvo, fusión de arco de alimentación de alambre y pulverización en frío de alta velocidad de polvo metálico.

ExMan: avances en manufactura aditiva para la logística militar

En el ExMan, el cabezal de impresión 3D de metal alimentado por alambre se monta paralelo al eje en una máquina fresadora de Tormach, produciendo un sistema que puede construir operaciones 3D y luego fresarlas y perforarlas con tolerancias precisas dentro de una sola operación de montaje.

La capacidad aditiva no requiere una protección especial de seguridad personal porque el material de entrada es un cable sólido en lugar de polvo y porque se utiliza corriente para fundir el material en lugar de un láser. Las medidas de seguridad necesarias son la protección ocular más la extracción de humos, similares a las de la soldadura de arco metálico con gas.

Sobre esto, Hranka afirma que “no es un proceso normal de soldadura por arco, que generalmente incluye un cierto nivel de porosidad, sino un enfoque de menor calor que permite la deposición efectiva de metales a una densidad máxima”.

Esta impresión 3D por deposición, lo que significa que colocar el metal a lo largo de una trayectoria de herramienta precisa en lugar de usar un lecho de polvo, significa que se puede construir una pieza 3D completa sobre una superficie plana.

También significa que una operación 3D se puede construir con la misma facilidad sobre una pieza existente, con la pieza existente utilizada como superficie de trabajo inicial. En resumen, la manufactura híbrida es tanto un recurso para reparar o modificar componentes existentes como un recurso para crear componentes desde cero.

“La oportunidad de reparación es enorme”, indica el sargento Arndt. Para los marines, obliga quizás a un cambio de mentalidad más fundamental. “Nuestro pensamiento ahora es, si algo está roto, no lo deseches”, señala. “En cambio, pensamos en cómo podríamos repararlo”.

Experimentos recientes se han centrado en la reparación en campo de las cabezas de los pistones de los vehículos. La prueba de la capacidad de recuperación y la capacidad del sistema aditivo es parte de la experimentación de los Marines, pero una parte aún más importante es el desarrollo de la práctica en la detección de oportunidades para la manufactura aditiva híbrida para mantener las piezas en uso durante más tiempo que de otra manera podrían descartarse. De esta manera, ExMan ya está ayudando y ahorrando costos para los Marines en Camp Pendleton, a pesar de que aún no se ha desplegado.

De hecho, en al menos un caso notable, el ExMan proporciona una valiosa alternativa al suministro existente. El sargento Arndt apunta a vehículos aéreos no tripulados o drones. Estos dispositivos aún son nuevos y tienden a romperse con frecuencia. Hasta ahora, no hay una cadena de suministro formal para las piezas necesarias, porque aún no se sabe qué piezas de repuesto son clave o con qué frecuencia se pedirán. Como resultado, algunas piezas necesarias tienen un tiempo de espera superior a un año. En respuesta, los Marines han mantenido los drones volando al hacer las piezas necesarias a través de la impresión 3D.

Mientras tanto, el sargento Arndt ha estado explorando el problema del piñón. ¿Ahora es posible resolver un problema como este en campo? Es decir, ¿es posible volver a utilizar de manera rápida el Humvee con este problema? El componente es demasiado difícil de fabricar solo a través del mecanizado, pero tal vez sea sencillo de realizar a través de la manufactura aditiva híbrida.

Por ejemplo, ¿qué pasa con los dientes de engranajes de impresión 3D en una pieza de tubo de metal? La “mentalidad innovadora” a la que se refiere consiste simplemente en esto: reconocer que muchos de los desafíos anteriormente prohibitivos ya no lo son cuando se agregan aditivos al mecanizado.