La industria de la construcción naval recurre a la impresión 3D para acelerar el ritmo

ARLINGTON, Va. — El equipo de construcción de portaaviones en Newport News Shipbuilding de HII enfrentó una fecha límite clave en marzo de 2022.

El equipo estaba en el gancho para mover un bloque de la quilla para el futuro Enterprise que pesaba cientos de toneladas en el dique seco.

Los constructores navales equipan estas piezas, conocidas como superelevadores, en la plataforma de ensamblaje final en el muelle, instalan las tuberías y el cableado en estos enormes bloques de Lego y luego los levantan con grúa para colocarlos en el dique seco.

Pero, un solo componente amenazó con desbaratar esta compleja actividad, dijo recientemente a los periodistas Brian Fields, vicepresidente de Enterprise y del barco gemelo Doris Miller.

En noviembre de 2021, el equipo se enteró de que una pieza de metal fundido, un componente crítico pero sensible que Fields se negó a nombrar, no estaría disponible hasta finales de junio o principios de julio.

"Necesitaba poner ese enorme superascensor en el dique seco", dijo. "Era una pieza y tenía que instalarla en la plataforma de ensamblaje final".

Esperar e instalarlo más tarde "habría sido significativamente arriesgado y un gran impacto en los costos", agregó Fields.

En lugar de elegir entre un retraso en el cronograma o el gasto adicional, el constructor naval y la Marina trabajaron juntos para diseñar, calificar e imprimir en 3D la pieza en solo cuatro meses, cumpliendo con la fecha límite de superlift de marzo.

Aunque la circunstancia fue inusual, la Marina y sus proveedores esperan que algún día sea el procedimiento predeterminado, en lugar del procedimiento de lanzamiento fechado.

Los altos funcionarios de la Marina han señalado repetidamente los desafíos en la base industrial de submarinos en particular, así como su base industrial de portaaviones y buques de superficie. El número de proveedores está disminuyendo incluso cuando al servicio le gustaría aumentar su tasa de producción.

En el caso de los submarinos de ataque clase Virginia, por ejemplo, las preocupaciones sobre la base industrial son la única razón por la que el gobierno no está aumentando su tasa de adquisición de dos a tres al año.

Matt Sermon, director ejecutivo de la Oficina Ejecutiva del Programa para Submarinos Estratégicos que supervisa los problemas de la base industrial de submarinos, dijo que la Marina no busca la fabricación aditiva como una novedad, sino que "estamos haciendo esto porque tenemos que hacerlo".

Es "el camino" para llegar a la construcción y reparación de submarinos a tiempo, agregó.

Sermon dijo el 30 de enero en una conferencia de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Navales que la base industrial es la que más lucha para mantenerse al día con la capacidad requerida de piezas y componentes de metales pesados. Estos incluyen piezas fundidas, forjadas, válvulas, accesorios y sujetadores.

De hecho, dijo, la Marina analizó 5500 piezas que han presentado desafíos de cronograma para nuevas construcciones y disponibilidad de mantenimiento para submarinos y barcos; seis materiales representan el 70% de las entregas tardías, dijo. La fabricación aditiva podría llevar más de estas piezas a los astilleros de construcción y reparación de forma más rápida y fiable.

Estas piezas siempre han sido un desafío para la base industrial, ya que la metalurgia fundamental es compleja y puede dar lugar a fallas. Pero hay menos empresas que fabrican estos componentes hoy que en décadas pasadas, y esa base más pequeña está luchando para mantenerse al día con la creciente demanda.

La Marina ha desarrollado un plan para madurar los metales, las máquinas de impresión y los procesos asociados con esos seis materiales este año, de modo que para marzo de 2024 puedan imprimirse en volumen y colocarse en submarinos, dijo Sermon.

El vicealmirante Bill Galinis, comandante del Comando de Sistemas Marítimos Navales, dijo a Defense News el 12 de enero que NAVSEA está trabajando con sus centros de guerra y con el Programa de Propulsión Nuclear Naval para avanzar en la comprensión y comodidad del servicio marítimo con la tecnología y los procesos de fabricación aditiva.

"No tenemos ese proceso completamente maduro hasta el punto en que podamos escalar la fabricación aditiva como creo que necesitamos", dijo. "Podemos hacer piezas únicas y, francamente, incluso para un componente de reactor, hemos construido algunas piezas bastante complejas mediante la fabricación aditiva, pero no hemos llegado al punto en que eso sea escalable".

La construcción de submarinos de misiles balísticos de clase Columbia ya comenzó, pero continuará creciendo en los próximos años, a pesar de que la base industrial ya está luchando con la carga de trabajo actual. Galinis dijo que la fabricación aditiva como alternativa a las piezas fundidas y forjadas ayudará a la industria a mantener el programa de Columbia a tiempo y a que el programa de la clase Virginia vuelva a encarrilarse.

"Lo que le gustaría poder hacer es identificar piezas de alto volumen y alto uso, y tiene una capacidad de impresión que le permite imprimirlas con bastante regularidad. Hay elementos de la industria privada que tienen hecho algo de eso", dijo. "Nuestro desafío en este momento es, uno, pasar rápidamente por el proceso de certificación, codificar cómo se verá y luego poder escalar la fabricación aditiva".

Eso es exactamente lo que Fields está tratando de hacer en Newport News.

Dijo que las piezas fundidas son particularmente difíciles para el astillero, y hay una larga lista de piezas de metal fundido que está luchando por conseguir a tiempo y de buena calidad.

Fields dijo que la compañía puede hacer la fundición de metal, pero una vez que los empleados comienzan a mecanizarlo para darle la forma correcta, cualquier falla en el metal requiere reparación mediante soldadura o un reinicio de toda la pieza. Estos defectos no siempre son visibles desde el principio, por lo que volver a fundir una pieza puede ser una sorpresa desagradable para el cronograma de construcción del barco.

"Todos nuestros proveedores están luchando para obtener las piezas fundidas a tiempo para cumplir con el cronograma del barco", dijo. "La calidad a la primera es mucho mejor con una pieza impresa en 3D y el costo es significativamente menor".

Usó un colector JP-5 como ejemplo. Esta pieza ayuda a mover el combustible para aviones alrededor del portaaviones e incluye una pieza de metal fundido con bridas fabricadas en los extremos.

"Son realmente difíciles de hacer correctamente. Tengo 28 de ellos en este momento que estoy esperando que hayan sido lanzados, y cada vez que los hidrolizas, se convierten en aspersores porque es difícil hacerlo bien. Y ahora los estamos reparando con soldadura", dijo Fields. "Ese ejemplo de todo el tiempo y el dinero invertido tratando de conseguir esas piezas para poder instalarlas en el barco a tiempo es donde veo que la impresión 3D realmente puede mover la aguja".

Sermon dijo que la fabricación aditiva podría acortar el tiempo de producción de ciertas piezas de metal en un promedio del 80 %, dependiendo de la eficiencia de la impresora.

El bombero Dalton Garret, asignado al departamento de ingeniería del buque de asalto anfibio de clase Wasp USS Bataan (LHD 5), produce un borrador asistido por computadora para un proyecto de impresión tridimensional, 16 de noviembre de 2022. (MC2 Matthew Brown/US Navy)

HII firmó un acuerdo en 2017 con el especialista en fabricación aditiva 3D Systems para ayudar a explorar posibles oportunidades de impresión en Newport News para la construcción y reparación de portaaviones y submarinos.

Mike Shepard, vicepresidente de aeroespacial y defensa de 3D Systems, dijo a Defense News que, si bien la empresa tiene sus propios centros de impresión, el objetivo no es imprimir piezas para Newport News Shipbuilding, sino ayudar a la empresa a integrar tecnología de impresión de vanguardia. en sus procesos.

La aleación particular de cobre y níquel de 3D Systems es un área de colaboración entre las dos compañías en la actualidad. Los métodos tradicionales como la fundición y la forja pueden crear fallas en las piezas de cobre y níquel que ralentizan la producción.

Con el proceso de impresión directa en metal de 3D Systems, "obtenemos mejores propiedades que las piezas forjadas o fundidas convencionales. No tenemos ninguno de los problemas de porosidad con el enfoque [de impresión]. Eso significa que somos competitivos en costos con la fundición y tienen un tiempo de entrega mucho menor", dijo Shepard.

Shepard agregó que el volumen de piezas que 3D Systems está ayudando a la impresión de Newport News está creciendo, "pero solo estamos rozando la superficie de la oportunidad general".

Para el director de ingeniería marítima de Sermon y Naval Sea Systems Command, Doug Arnold, este tipo de colaboraciones de la industria ayudan a hacer coincidir las nuevas tecnologías con las brechas en la capacidad industrial, pero la Marina necesita garantizar que se apliquen sus rigurosos estándares de ingeniería.

Sermon dijo que la comunidad de aviación y la academia ya han invertido en una investigación significativa sobre la fabricación aditiva con ciertos metales y, en esos casos, la Marina puede avanzar con bastante rapidez. Pero en los metales específicamente destinados a aplicaciones navales, incluido el cobre-níquel y algunas aleaciones de acero, se necesita más investigación sobre lo que sucede cuando estos materiales se usan para imprimir, en particular cómo afecta las propiedades de fatiga y corrosión de los metales.

Arnold dijo que la Marina y los proveedores podrían comenzar a usar estos materiales para imprimir componentes donde estas propiedades de segundo y tercer orden no son tan relevantes, usando cobre-níquel para componentes que no están expuestos al agua y donde la corrosión no es una gran preocupación, para aprenda lecciones imprimiendo componentes de bajo riesgo y gane tiempo para que los investigadores comprendan mejor los detalles más finos del uso de estos metales en la fabricación aditiva.

Fields dijo que HII debe tener especial cuidado con las piezas que van en los submarinos, debido a los requisitos técnicos adicionales.

Pero, dijo, la Marina y sus socios de la industria deben encontrar un camino a seguir si quieren continuar o aumentar la tasa de producción de submarinos actual.

“Una de las presiones para que se rompa la represa es que el cliente al final grita 'Necesito esto'. Así que creo que está empezando a acelerarse" considerando las piezas impresas para submarinos, dijo Fields.

Megan Eckstein es la reportera de guerra naval en Defense News. Ha cubierto noticias militares desde 2009, con un enfoque en las operaciones, los programas de adquisición y los presupuestos de la Armada y el Cuerpo de Marines de EE. UU. Ha informado desde cuatro flotas geográficas y es más feliz cuando presenta historias desde un barco. Megan es alumna de la Universidad de Maryland.