Ecco come Northrop Grumman ha rivoluzionato il paradigma degli attrezzaggi per ridurre i tempi di sviluppo dei motori a razzo.
Customer
Northrop Grumman
Headquarters
Falls Church, Virginia, USA
Industry
Aerospace and Defense
Employees
95,000
Uno dei motori a razzo più famosi della storia corse il rischio di non arrivare a decollare mai. Gli ingegneri che lavoravano al razzo F-1 dell'Apollo Saturn V non riuscivano a venire a capo di un problema che provocava l'esplosione dei motori sul banco di prova. Solo concependo un nuovo approccio, guardando in modo nuovo alla progettazione standard del sistema di iniezione, riuscirono a stabilizzare con successo il processo di combustione, permettendo all'Umanità di arrivare sulla Luna.
Oggi, a distanza di sessant'anni, un altro costruttore di motori a razzo, Northrop Grumman, sta adottando un approccio analogo per affrontare nuove sfide di produzione. Questa volta, il problema stava nell'eccessiva lentezza della catena di fornitura delle attrezzature di produzione, con un conseguente rallentamento dello sviluppo di nuovi motori. Ma invece di arrendersi all'inevitabile, il team di Northrop Grumman ha deciso di intraprendere un nuovo percorso, rivolgendosi alla produzione additiva (AM) per trovare un'alternativa alle attrezzature in metallo che erano all'origine dei ritardi. Il risultato è stato una drastica riduzione dei tempi di produzione degli utensili e la messa a punto di un nuovo motore a razzo in meno di un anno.
Northrop Grumman Propulsion Systems vanta una lunga esperienza nello sviluppo di motori a razzo a propellente solido, assicurando da più di 60 anni capacità di propulsione per applicazioni missilistiche civili, commerciali e di difesa. Il team di Northrop Grumman ha fornito i motori a razzo persino per le missioni lunari del programma Apollo. Ma per arrivare a questo livello di eccellenza è necessario innovare e poter contare su una supply chain efficiente, in grado di supportare qualsiasi programma di sviluppo del prodotto nelle sfide tecniche, di costi e di tempistiche che si trova a dover affrontare. E tuttavia le catene di fornitura sono vulnerabili, come ha ben evidenziato la pandemia di COVID e non solo: tensioni politiche, guerre commerciali e altri fattori geopolitici ne minacciano costantemente la stabilità, mettendo in risalto il valore delle strategie di on-shoring o near-shoring. Nello specifico, uno degli anelli deboli dello sviluppo dei motori a razzo è l'outsorcing di nuove attrezzature per modellare il propellente solido all'interno del motore, condizione essenziale per raggiungere gli obiettivi della missione. Per Northrop Grumman, queste criticità della catena di fornitura possono comportare un'attesa di oltre un anno nella consegna degli utensili necessari per alcuni progetti.
Chase Smaellie, Tooling Engineer alla Northrop Grumman, è fin troppo avvezzo ai ritardi nelle forniture che incidono sulle tempistiche di progetto: “Durante il COVID molti fornitori hanno chiuso i battenti e noi abbiamo faticato, e fatichiamo tuttora, a rifornirci di pezzi forgiati, colati e saldati di grandi dimensioni. Ci vuole molto più tempo del necessario per approvvigionarci di queste grandi attrezzature in azienda".
Le ricadute della discontinuità della supply chain vanno oltre i ritardi legati al tempo. Come ogni produttore sa bene, le interruzioni del ciclo di produzione ritardano il lancio del prodotto sul mercato. E in un settore competitivo, questo può significare la perdita di opportunità commerciali. I ritardi nei processi impediscono di rispondere prontamente alle mutate condizioni del mercato, alle nuove esigenze dei consumatori o alle tendenze emergenti. Inoltre, impattano negativamente sui tempi di consegna, deludendo le aspettative dei clienti, erodendo la fiducia nell'azienda e causando la perdita di vendite.
Per ovviare a queste difficoltà, Northrop Grumman ha adottato un approccio innovativo attraverso lo sviluppo del Solid Motor Annual Rocket Technology Demonstrator o, in breve, SMART Demo. Si tratta di un programma annuale volto a promuovere lo sviluppo dei motori a razzo in termini di attrezzature, materiali e design, con l'obiettivo di soddisfare le necessità specifiche del settore e dei clienti, come pure di fare fronte alle sfide proprie del processo.
Uno dei problemi su cui si è concentrato lo SMART Demo 2023 è stato proprio quello dei lunghi tempi di consegna delle attrezzature di produzione. Invece di avvalersi di utensili tradizionali in metallo per la fusione del propellente per motori a razzo, Northrop Grumman ha utilizzato la tecnologia additiva FDM® di Stratasys, di cui si è dotata internamente, per accelerare il processo e stampare in 3D attrezzature dalla geometria complessa. Il risultato è stato uno stampo realizzato in un tempo molto inferiore a quello necessario per procurarsi un utensile in metallo. Sottolineando il valore della produzione additiva rispetto ai materiali più tradizionali, Smaellie afferma: “È necessaria. La produzione interna su larga scala rappresenta un vantaggio. I nostri tempi di lavorazione si stanno riducendo da un anno a sei settimane”.
Tuttavia, oltre a convalidare la produzione additiva come soluzione per ovviare alla discontinuità della supply chain, lo SMART Demo 2023 ha evidenziato il valore della tecnologia dei polimeri come alternativa al metallo. Il propellente dei motori a razzo viene fuso ad alte temperature, quindi qualsiasi materiale polimerico additivo impiegato per modellarlo deve essere in grado di resistere a queste condizioni. Sulla scorta dei risultati ottenuti, in particolare la riduzione dei tempi del ciclo di attrezzaggio, lo SMART Demo 2023 ha confermato la validità dell'approccio polimero-metallo. Alla luce di questi risultati, si prevede che la tecnologia additiva contribuirà a ridurre i tempi di consegna e ad accelerare la realizzazione di nuovi motori a razzo a propellente solido
Da diversi decenni ormai, chi adotta la tecnologia AM la utilizza come metodo più veloce e meno costoso per realizzare maschere, supporti e altre attrezzature di produzione di uso comune, in sostituzione di quelle solitamente realizzate in metallo. Ma per alcuni produttori, l'impiego di polimeri al posto del metallo, in particolare per attrezzature dai requisiti più stringenti, non è nemmeno da prendere in considerazione. Questo di solito deriva da una mancata conoscenza delle capacità della tecnologia additiva a base di polimeri. Northrop Grumman, invece, ha scelto di seguire una strada diversa, dimostrando fiducia nella capacità della tecnologia additiva a base di polimeri di costituire una valida alternativa al metallo, soprattutto a supporto degli sforzi fatti per accelerare lo sviluppo dei prodotti.
Una delle condizioni essenziali per la scelta dell'additivo nell'ambito del programma SMART Demo 2023 era quella di trovare materiali con proprietà adeguate rispetto all'applicazione prevista. Lo stampo ottenuto doveva essere compatibile sia con il propellente che con i solventi di pulizia. Inoltre, doveva essere dotato di collegamento a terra per evitare l'accumulo di cariche elettrostatiche e scariche accidentali suscettibili di incendiare il propellente con conseguenze catastrofiche.
La scelta del materiale in grado di soddisfare tali requisiti andava dall'ABS-ESD7™, un materiale plastico a prova di scarica elettrostatica, all'Antero® 840CN03, un polimero a base di PEKK ad alta tenuta, con un'eccellente resistenza chimica e proprietà ESD. "Abbiamo optato per Antero. L'abbiamo scelto per le sue proprietà meccaniche e per la sua resistenza ai solventi. Utilizziamo solventi per la pulizia di matrici e attrezzature e Antero ha dato prova di resistenza", spiega Smaellie.
Le proprietà di dissipazione elettrostatica di questo materiale hanno offerto un altro vantaggio significativo. “Molti dei nostri processi sono pensati per prevenire la formazione delle scintille derivanti sia dal contatto metallo-metallo sia da problemi di conduttività degli isolanti”, spiega Smaellie. “La nostra documentazione interna in materia di sicurezza ci impone di trovare materiali conduttivi che non producano scintille e Antero assolve perfettamente a questo compito. Le sue proprietà sono interessanti anche in termini di sicurezza", aggiunge Smaellie.
Un altro problema con cui gli ingegneri della Northrop Grumman hanno dovuto fare i conti sono state le dimensioni delle attrezzature. Il corpo centrale del motore del razzo era lungo circa 3 metri. Per realizzare lo stampo della matrice occorreva produrne diverse parti di grandi dimensioni. Per ottenere ciascuna sezione, occorreva una stampante 3D con un volume di costruzione sufficiente. Alla fine, Northrop Grumman ha realizzato la matrice in quattro pezzi utilizzando le stampanti Stratasys F900 di proprietà dell'azienda. Smaellie sostiene che i vantaggi principali della F900 sono stati “l'ampio volume di costruzione e la precisione”. Anche l'affidabilità ha avuto il suo peso, dal momento che i tempi di stampa di ciascuna sezione sono stati molto lunghi.
Un altro vantaggio della stampa delle attrezzature in alternativa all'impiego degli utensili tradizionali in metallo è stato la riduzione del peso. La stampa con riempimento personalizzato (una struttura interna non solida, a nido d'ape) ha garantito la necessaria integrità strutturale riducendo al minimo il peso. La libertà di progettazione della stampa 3D ha inoltre consentito di integrare dispositivi di fissaggio del pezzo per agevolare la lavorazione post-stampa richiesta sulle superfici di accoppiamento delle sezioni centrali.
Se c'è un insegnamento che altri utenti della AM possono trarre dall'esperienza dello SMART Demo 2023 di Northrop Grumman, è che esiste un orizzonte più ampio per l'impiego di utensili in polimeri e un ritorno economico vantaggioso dalla loro applicazione. Sebbene il materiale Antero con proprietà ESD sia stato inizialmente sviluppato per componenti di veicoli spaziali, Chase Smaellie e il team di Northrop Grumman ne hanno riconosciuto il potenziale per applicazioni di attrezzaggio. Il risultato è consistito in una drastica riduzione dei tempi di consegna, che ha permesso di produrre un nuovo motore a razzo in tempi molto più brevi. E questo approccio “fuori dagli schemi” continua a dare i suoi frutti, offrendo al team le conoscenze necessarie per ottenere ulteriori vantaggi con i successivi SMART Demo annuali.
Naturalmente, la sostituzione dei metalli con polimeri dipende dai requisiti strutturali del pezzo. Ma la disponibilità di materiali polimerici ad alte prestazioni apre la strada a nuove opportunità, consentendo di evitare il costoso e lungo processo di lavorazione del metallo su più assi. “La stampa 3D si affermerà definitivamente quando saremo in grado di utilizzare Antero per sostituire i pezzi forgiati di grandi dimensioni e le parti complesse ottenute con le macchine a cinque assi”, afferma Smaellie. "Lo stiamo già constatando con altri componenti in produzione con Antero, così come con le matrici future. Ed è qui che iniziamo a vedere il primo guadagno in termini monetari su ognuna di queste parti, oltre alla velocità e al valore a lungo termine”, aggiunge.
Non esiste una bacchetta magica per risolvere tutti i problemi che si possono presentare in una catena di fornitura complessa. Le soluzioni possono essere tanto varie quanto le cause stesse. Ma la produzione additiva ha dimostrato di poter ridurre in modo significativo i ritardi nei tempi di consegna, soprattutto per quanto riguarda le attrezzature. Inoltre, la disponibilità di polimeri speciali e ad alte prestazioni come Antero rende possibili applicazioni di attrezzaggio uniche.
Alla fine, però, quello che conta di più sono le opportunità commerciali che la tecnologia additiva dischiude. Chase Smaellie mette in evidenza i vantaggi di un ciclo di sviluppo più breve offerti dalla tecnologia additiva: “Se consideriamo la consegna e il pagamento da parte del cliente, il rispetto delle scadenze e degli obblighi, e come questo influisce sulla nostra attività, ci rendiamo conto della sua enorme importanza”. E aggiunge: “Stiamo recuperando denaro grazie al rispetto delle scadenze e all'utilizzo più rapido di nuovi processi”. È bastato fondere un motore e farlo partire nel giro di un anno all'interno del progetto SMART Demo per aprire la nostra azienda a nuove opportunità”.
