Cómo Northrop Grumman cambió el paradigma de las herramientas para reducir el tiempo de desarrollo de los motores de cohetes.
Customer
Northrop Grumman
Headquarters
Falls Church, Virginia, USA
Industry
Aerospace and Defense
Employees
95,000
Uno de los motores de cohete más famosos que se haya diseñado casi no llega a utilizarse. Los ingenieros que desarrollaban los motores F-1 del cohete Apolo Saturno V quedaron perplejos ante un problema que hizo que sus motores explotaran en el banco de pruebas. El equipo logró estabilizar la combustión solo con un nuevo enfoque, una nueva forma de pensar, para el diseño estándar del sistema de inyectores de combustible, lo que finalmente permitió que la humanidad llegase a la Luna.
Sesenta años después, otro desarrollador de motores de cohetes, Northrop Grumman, busca también un nuevo enfoque para superar los desafiantes obstáculos de producción. Esta vez, el problema es el excesivo tiempo de espera dentro de la cadena de suministro de herramientas, lo que representa un gran obstáculo en el desarrollo de nuevos motores de cohetes. En lugar de aceptar la situación, el equipo de Northrop Grumman forjó un nuevo camino y utilizó la manufactura aditiva (MA) para reemplazar las herramientas metálicas que causaban retrasos en el nuevo desarrollo. Como resultado, obtuvo una reducción drástica en el tiempo de producción de herramientas y logró crear un nuevo motor de cohete en menos de un año.
Northrop Grumman Propulsion Systems tiene una vasta trayectoria en el desarrollo de motores de cohetes de combustible sólido y brinda fuerza de elevación para aplicaciones de cohetes de defensa, civiles y comerciales desde hace más de 60 años. El equipo de Northrop Grumman incluso suministró motores de cohetes para las misiones lunares Apolo. En este nivel, el éxito depende de la innovación y de una buena cadena de suministro para enfrentar los desafíos técnicos, de costos y de tiempos que enfrenta cualquier programa de desarrollo de productos. Pero las cadenas de suministro son frágiles y quedaron muy afectadas por la pandemia de COVID, aunque esa no es la única causa. Las tensiones políticas, las guerras comerciales y otros desafíos geopolíticos similares son amenazas constantes para las cadenas de suministro estables, lo que pone de manifiesto el valor de las estrategias de producción local o la cercanía de la producción. En el desarrollo de motores de cohetes en particular, uno de los eslabones débiles es la adquisición de las nuevas herramientas que se utilizan en el modelado del propelente sólido de cohetes dentro de la carcasa del motor para cumplir con los objetivos de la misión. Para Northrop Grumman, las realidades de la cadena de suministro antes mencionadas pueden retrasar los tiempos de espera de las herramientas durante más de un año para algunos proyectos.
Chase Smaellie, ingeniero de herramental de Northrop Grumman, conoce muy bien lo que sucede con los planes de un proyecto cuando hay retrasos en el suministro: "Durante la pandemia de COVID, se cerraron muchos proveedores y resultó muy difícil, todavía lo sigue siendo, obtener grandes piezas forjadas, fundidas y soldadas. Se tarda mucho más de lo que debería en traer algunas de estas herramientas más grandes a la empresa".
Las consecuencias de las interrupciones en la cadena de suministro van más allá de los retrasos en los tiempos. Como todo fabricante sabe, las pausas en la producción significan que se retrasa la llegada del producto al mercado. En una industria competitiva, esto puede ocasionar la pérdida de oportunidades de negocio. Los retrasos en los procesos dificultan la capacidad de reaccionar rápidamente ante los cambios del mercado, los nuevos requisitos de los clientes o las tendencias emergentes. Eso también afecta los plazos de entrega, lo que hace que no se cumplan las expectativas de los clientes, se erosione la confiabilidad de la empresa y se pierdan ventas.
Para compensar estas dificultades, Northrop Grumman adoptó un enfoque innovador. La compañía desarrolló el Demostrador de tecnología anual de cohetes de combustible sólido, o SMART Demo (por las siglas del nombre en inglés: Solid Motor Annual Rocket Technology Demonstrator) para abreviar. Es un programa anual para promover soluciones en cuanto a las herramientas, los materiales y el diseño del desarrollo de motores de cohetes para satisfacer las necesidades específicas de la industria y los clientes, y abordar los desafíos que plantean los procesos.
Un aspecto del SMART Demo 2023 se centró en el problema de las herramientas con largos plazos de entrega. En lugar de confiar en las herramientas metálicas tradicionales para moldear el propelente del motor del cohete, Northrop Grumman utilizó su tecnología interna de MA FDM® de Stratasys para acelerar el proceso e imprimir en 3D las herramientas con formas complejas. Como resultado, la empresa obtuvo una herramienta de molde completa en una fracción del tiempo que llevaría adquirir herramientas de metal. Haciendo hincapié en el valor de la manufactura aditiva en comparación con los materiales de origen tradicional, Smaellie dice: "Es necesario. La fabricación interna a gran escala nos brinda muchas ventajas. Reducimos el tiempo de fabricación de un año a seis semanas".
Sin embargo, más allá de validar la MA como solución para las interrupciones en la cadena de suministro, el SMART Demo 2023 destacó la importancia de la tecnología de polímeros como sustituto del metal. El propelente del motor de cohete se funde a altas temperaturas, por lo que cualquier material de polímero aditivo que se use para el molde del propelente debe soportar estas condiciones. Dados los buenos resultados obtenidos, en particular en la reducción del tiempo de ciclo de las herramientas, el SMART Demo 2023 confirmó el valor de sustituir el metal por polímero. A partir de estos resultados, se espera que la tecnología de manufactura aditiva contribuya a reducir los tiempos de espera y a acelerar la fabricación de nuevos motores de cohetes de combustible sólido.
Desde hace varias décadas, los adoptantes de la MA utilizan la tecnología como una forma más rápida y menos costosa de fabricar plantillas, fijaciones y otras herramientas de manufactura comunes que suelen estar hechas de metal. Pero, algunos fabricantes ni siquiera considerarían usar polímeros en lugar de metal, particularmente para aplicaciones de herramientas de requisitos más exigentes. Esto se suele deber a un desconocimiento de las capacidades que tiene la MA con polímeros. Sin embargo, Northrop Grumman eligió un camino diferente y mostró confianza en que la tecnología de aditivos poliméricos puede ser una alternativa efectiva al metal, especialmente para acelerar los trabajos de desarrollo.
Para el SMART Demo 2023 de la empresa, un requisito esencial en cuanto al uso de aditivos era encontrar materiales con propiedades de aplicación adecuadas. Las herramientas para el molde del motor del cohete tenían que ser compatibles con el propelente y los disolventes de limpieza. También debía tener descarga eléctrica a tierra para evitar la acumulación de estática y la descarga accidental que podría provocar una ignición catastrófica del propelente.
Las opciones de materiales para MA que cumplían estos requisitos se redujeron a ABS-ESD7™, un plástico ABS seguro ante descargas electrostáticas, y Antero® 840CN03, un polímero muy fuerte a base de PEKK con excelente resistencia química y a las descargas electrostáticas. "Seleccionamos Antero. Elegimos el Antero por sus propiedades mecánicas, así como por su resistencia a los disolventes. Limpiamos los núcleos y el herramental con solventes. (Antero) lo resistió", relata Smaellie.
La resistencia a las descargas electrostáticas de Antero ofrecían otro beneficio significativo. "Muchos de nuestros procesos están orientados a prevenir chispas, que pueden ocasionarse por el contacto metal con metal o por problemas de conductividad con los aislantes", dice Smaellie. "Nuestros documentos de seguridad internos nos impulsan a encontrar materiales conductores que no produzcan chispas, y Antero cumple con ese requisito. Las propiedades del material eran atractivas por motivos de seguridad", añade Smaellie.
El tamaño de las herramientas fue otro problema con el que tuvieron que lidiar los ingenieros de Northrop Grumman. El diseño del núcleo del motor del cohete tenía aproximadamente 10 pies (3 metros) de largo. Hubo que imprimir la herramienta de molde del núcleo en varias piezas grandes. Era necesaria una impresora 3D con suficiente volumen para construir cada sección grande. Al final, Northrop Grumman imprimió el núcleo en cuatro piezas en las impresoras Stratasys F900 de la empresa. Según Smaellie, la ventaja de la F900 incluía "el gran volumen de construcción y la precisión". La confiabilidad de la impresión también fue un factor para tener en cuenta, ya que el tiempo de construcción de cada sección era extenso.
La reducción de peso fue otra ventaja de imprimir la herramienta en lugar de utilizar herramientas metálicas convencionales. La impresión con un relleno personalizado (una estructura interna no sólida, similar a un panal) proporcionó la integridad estructural necesaria al tiempo que minimizaba el peso. La libertad de diseño de la impresión 3D también permitió que las fijaciones de piezas incorporadas facilitaran el mecanizado posterior a la impresión requerido en las superficies de acoplamiento de las secciones principales.
Para otros usuarios de MA, la experiencia SMART Demo 2023 de Northrop Grumman significa que hay un horizonte más amplio para las herramientas de polímero impresas con MA, así como el correspondiente retorno favorable de lo invertido en su aplicación. Aunque el material Antero con resistencia a las descargas electrostáticas se desarrolló inicialmente para piezas de naves espaciales, Chase Smaellie y el equipo de Northrop Grumman reconocieron su potencial para usarlo en herramientas. El resultado fue un tiempo de espera marcadamente menor que ayudó a producir un nuevo motor de cohete en un período mucho más reducido. Y ese enfoque de pensamiento creativo sigue dando sus frutos, ya que le da al equipo los conocimientos necesarios para lograr más beneficios en los siguientes demostradores SMART anuales.
La sustitución de metal por polímero depende, obviamente, de los requisitos estructurales de una pieza. Pero la disponibilidad de materiales poliméricos de alto rendimiento abre nuevas puertas y brinda oportunidades para evitar el proceso costoso y lento del mecanizado de metales multieje. "Donde la impresión 3D realmente se destacará es cuando podamos reemplazar grandes forjados y piezas complejas de cinco ejes con Antero", dice Smaellie. "Lo estamos viendo ahora con otros componentes que fabricamos con Antero, así como con los núcleos futuros. Ahí es donde empezaremos a ver los ahorros inmediatos en números reales con estas piezas, además de la velocidad y el valor a largo plazo", agrega.
No existe una solución mágica para remediar todos los problemas que pueden surgir en una cadena de suministro compleja. Las soluciones pueden ser tan variadas como las propias causas. Sin embargo, la manufactura aditiva ha demostrado que puede reducir significativamente los retrasos en los tiempos de espera, en particular en el caso de las herramientas. Y la disponibilidad de polímeros especiales y de alto rendimiento como Antero hace posibles aplicaciones de herramientas únicas.
Al final, sin embargo, lo que más importa son las oportunidades de negocio que permite la tecnología aditiva. Chase Smaellie destaca los beneficios del ciclo de desarrollo más corto que proporciona la MA: "Si analizamos la entrega de un cliente y su pago, el cumplimiento de nuestros plazos y obligaciones, y cómo eso afecta nuestro negocio, su importancia es enorme". Dice, además: "Recuperamos dinero al cumplir con los plazos y acelerar los tiempos gracias a los nuevos procesos. El solo hecho de moldear un motor y probarlo en el transcurso de un año para el proyecto SMART Demo abrió nuevas puertas para nuestra empresa".
