Lufthansa Technik ha sviluppato un componente in titanio prodotto mediante stampa 3D per sostituire un elemento in materiale polimerico impiegato nei sistemi a rullo installati su diversi aeromobili Airbus A330, A340 e A380. L’intervento nasce da un problema tipico della manutenzione aeronautica: un componente relativamente piccolo può diventare la causa della sostituzione di un gruppo molto più grande e costoso quando il costruttore originale non lo rende disponibile come ricambio separato.
Nel caso affrontato da Lufthansa Technik, il componente interessato è un elemento di bloccaggio inserito nel gruppo del sistema a rullo, con la funzione di mantenere nella corretta posizione il freno del rullo e la relativa estremità. Il pezzo originale era realizzato in materiale polimerico mediante stampaggio a iniezione e, durante l’impiego operativo, poteva essere soggetto a usura e danneggiamenti.
Il problema non riguardava soltanto la durata del componente. I produttori originali non fornivano infatti il piccolo elemento come ricambio autonomo. In caso di rottura, l’attività di manutenzione poteva quindi richiedere la sostituzione dell’intero gruppo, con conseguenze sui costi, sulla disponibilità dei ricambi e sull’organizzazione degli interventi.
Dal ricambio non disponibile alla riprogettazione del componente
Di fronte a questa situazione, Lufthansa Technik ha scelto di non limitarsi alla riproduzione del pezzo esistente. Gli ingegneri dell’azienda tedesca hanno ridisegnato il componente tenendo conto fin dall’inizio delle caratteristiche della produzione additiva metallica.
La distinzione è importante. Trasformare un componente progettato per lo stampaggio a iniezione in un pezzo metallico stampato in 3D non significa semplicemente utilizzare lo stesso modello geometrico e cambiare materiale. Polimeri e metalli rispondono in maniera diversa alle sollecitazioni, hanno rigidezze differenti e richiedono geometrie adeguate alle rispettive proprietà meccaniche.
Il componente originale doveva infatti possedere un certo grado di elasticità per svolgere la propria funzione all’interno del sistema. Sostituendo il polimero con il titanio, Lufthansa Technik ha dovuto riconsiderare parametri quali lo spessore delle pareti, la geometria delle zone deformabili e la risposta elastica dell’intero elemento.
L’obiettivo era mantenere la funzione del componente originale ottenendo allo stesso tempo una maggiore resistenza all’usura.
La scelta del titanio Ti6Al4V
Per il nuovo componente Lufthansa Technik ha scelto la lega di titanio Ti6Al4V, uno dei materiali metallici più utilizzati nella produzione additiva destinata ad applicazioni ad alte prestazioni.
Il Ti6Al4V combina una densità relativamente contenuta con elevata resistenza meccanica e buona resistenza alla corrosione. Queste caratteristiche spiegano il suo impiego in numerose applicazioni aerospaziali, medicali e industriali.
Nel caso del componente progettato da Lufthansa Technik, il vantaggio principale non consiste nella riduzione del peso, dato che si tratta di un elemento di dimensioni limitate. L’aspetto determinante è piuttosto la possibilità di ottenere una parte capace di sopportare meglio le sollecitazioni e l’usura che avevano penalizzato il componente polimerico.
I dati di produzione pubblicati da Materialise per il Ti6Al4V utilizzato nei propri processi di stampa 3D indicano, a seconda delle condizioni produttive, valori di resistenza a trazione superiori a 900 MPa e un modulo elastico nell’ordine dei 110 GPa. Sono parametri che aiutano a comprendere la notevole differenza di comportamento rispetto a un componente plastico, ma che rendono anche necessario riprogettare attentamente le geometrie quando il pezzo deve conservare una certa capacità di deformazione.
Materialise produce il componente per Lufthansa Technik
Una volta completata la progettazione, Lufthansa Technik ha affidato la produzione a Materialise, società belga specializzata in software e servizi per la produzione additiva.
Le due aziende collaborano da anni nel settore aerospaziale e Materialise è stata selezionata attraverso la rete di fornitori di Lufthansa Technik per la produzione del nuovo componente metallico.
Prima dell’avvio della produzione sono stati esaminati gli aspetti legati alla stabilità del processo, ai controlli di fabbricazione e ai requisiti qualitativi. Materialise ha inoltre dovuto completare il processo di qualificazione richiesto da Lufthansa Technik per essere riconosciuta come fornitore di componenti metallici prodotti mediante additive manufacturing.
La produzione è stata organizzata secondo i requisiti della norma EN 9100, riferimento del sistema qualità utilizzato nel settore aerospaziale.
Questo passaggio evidenzia una differenza sostanziale tra la stampa 3D utilizzata per realizzare prototipi e la produzione additiva destinata a componenti aeronautici effettivamente installati a bordo. Nel secondo caso non è sufficiente ottenere un pezzo geometricamente corretto: devono essere controllati il materiale, il processo produttivo, la ripetibilità, la documentazione e l’intera catena di qualità.
Il ruolo della certificazione aeronautica
La possibilità di utilizzare il nuovo componente sugli aeromobili dipende anche dalle competenze di certificazione di Lufthansa Technik.
L’azienda dispone delle approvazioni EASA Part 21.J e Part 21.G. La Part 21.J riguarda le organizzazioni autorizzate a svolgere attività di progettazione aeronautica, mentre la Part 21.G riguarda le organizzazioni di produzione.
Questa combinazione permette a Lufthansa Technik di affrontare internamente una parte importante del percorso che porta dalla progettazione di un ricambio alla sua approvazione per l’impiego aeronautico.
L’azienda ha inoltre creato una struttura dedicata alla produzione additiva. Il suo ADDITIVE Manufacturing Center si occupa della riparazione, sostituzione e progettazione di componenti in materiali polimerici e metallici, con particolare attenzione alle produzioni in quantità limitate e ai ricambi difficili da reperire.
Lufthansa Technik dichiara di avere già sviluppato, approvato e installato più di 2.200 componenti aeronautici nell’ambito delle proprie attività legate alla produzione additiva. Il progetto del componente in titanio si inserisce quindi in un programma industriale più ampio e non rappresenta un esperimento isolato.
Anche Materialise dispone di una struttura specifica per il settore aerospaziale. L’azienda dichiara di operare come organizzazione di produzione certificata secondo EASA Part 21.G e di realizzare componenti secondo EN 9100 per materiali metallici e polimerici. La società lavora inoltre secondo standard Airbus AIPI per processi qualificati destinati alla filiera aeronautica.
Un piccolo componente con effetti importanti sulla manutenzione
Il nuovo elemento in titanio è stato certificato ed è entrato in servizio sugli aeromobili interessati.
Per Lufthansa Technik, il vantaggio operativo deriva da due fattori distinti.
Il primo riguarda la durata prevista. La maggiore resistenza del Ti6Al4V dovrebbe consentire al componente di sopportare meglio l’usura rispetto alla precedente versione polimerica, riducendo la frequenza degli interventi associati al suo deterioramento.
Il secondo riguarda la manutenzione. Qualora il componente debba essere sostituito, Lufthansa Technik può intervenire sul singolo elemento anziché rimpiazzare l’intero sistema a rullo.
Si tratta di un cambiamento apparentemente limitato, ma importante nella gestione dei costi di manutenzione. In campo aeronautico numerosi assemblaggi comprendono parti che, pur avendo dimensioni e valore individuale ridotti, non vengono commercializzate separatamente. La disponibilità di un ricambio alternativo certificato può quindi evitare la sostituzione di sistemi completi ancora perfettamente utilizzabili.
La produzione additiva come soluzione all’obsolescenza dei ricambi
Il caso sviluppato da Lufthansa Technik e Materialise mostra uno degli impieghi meno visibili ma economicamente interessanti della produzione additiva nel settore aeronautico: la gestione dei ricambi.
Gli aeromobili commerciali possono restare in servizio per periodi molto lunghi. Durante questo arco di tempo alcuni fornitori possono cessare la produzione di determinati componenti, cambiare gamma di prodotti oppure rendere disponibili soltanto assemblaggi completi.
Per compagnie aeree e società di manutenzione, riparazione e revisione questo può trasformare un componente di pochi centimetri in un problema di approvvigionamento.
La produzione additiva permette di affrontare alcune di queste situazioni partendo dal modello digitale del componente e producendo quantità limitate senza dover creare stampi, attrezzature specifiche o grandi lotti.
È un vantaggio particolarmente interessante quando servono poche decine o poche centinaia di pezzi. Nei processi tradizionali, la produzione di piccoli lotti può diventare economicamente poco conveniente proprio a causa dei costi iniziali di attrezzaggio.
Con la stampa 3D il rapporto cambia: una volta qualificati progetto, materiale e processo, è possibile realizzare i componenti necessari secondo le quantità richieste.
Dal magazzino fisico al ricambio digitale
Questa modalità produttiva introduce anche il concetto di inventario digitale.
Invece di conservare per anni migliaia di ricambi fisici, una parte del magazzino può essere costituita da dati tecnici e modelli di produzione qualificati. Quando un componente diventa necessario, il pezzo può essere prodotto attraverso un processo precedentemente approvato.
Nel settore aeronautico il passaggio non è automatico, perché ogni componente deve rispettare requisiti di tracciabilità, qualità e certificazione. Tuttavia, proprio applicazioni come quella sviluppata da Lufthansa Technik e Materialise mostrano come questo modello possa essere utilizzato per ricambi selezionati.
La possibilità di produrre il componente solo quando serve riduce inoltre il rischio di accumulare scorte destinate a diventare obsolete.
Per un operatore MRO come Lufthansa Technik, che deve gestire flotte, configurazioni di cabina e aeromobili appartenenti a generazioni differenti, questo approccio può avere un valore significativo.
Perché non basta copiare il pezzo originale
Un altro elemento interessante del progetto riguarda il metodo di progettazione adottato da Lufthansa Technik.
La produzione additiva viene talvolta descritta come una tecnologia che consente semplicemente di riprodurre componenti esistenti partendo da un file digitale. Nel settore aerospaziale la situazione è più complessa.
Un pezzo nato per essere stampato a iniezione, fresato, tornito o forgiato è stato progettato tenendo conto delle caratteristiche di quel processo. Cambiando tecnologia produttiva e materiale devono essere rivalutati il comportamento strutturale, le tolleranze, le superfici, le zone sottoposte a sollecitazione e le modalità di montaggio.
Nel progetto del nuovo fermo, Lufthansa Technik ha quindi lavorato sulla funzionalità invece di limitarsi alla geometria originale. È stato necessario ottenere dal titanio una risposta meccanica compatibile con quella richiesta dal sistema, modificando pareti e geometrie dove necessario.
È proprio questo passaggio dalla semplice riproduzione alla progettazione specifica per additive manufacturing che permette di sfruttare meglio la tecnologia.
Un modello applicabile ad altri ricambi aeronautici
L’interesse industriale del progetto non dipende dalle dimensioni del componente. Al contrario, il fatto che si tratti di un piccolo elemento mette in evidenza una delle aree nelle quali la stampa 3D può trovare applicazioni concrete nel trasporto aereo.
Non tutti i componenti aeronautici sono candidati adatti alla produzione additiva. Per parti strutturali sottoposte a elevati carichi o a fatica, i requisiti di qualificazione e controllo sono molto più complessi.
Componenti di cabina, ricambi difficili da reperire e parti non strutturali rappresentano invece un campo nel quale il rapporto tra costi di certificazione e benefici operativi può essere più favorevole.
Materialise indica proprio riparazioni, ricambi e componenti di cabina tra gli ambiti nei quali la stampa 3D metallica può offrire benefici alla filiera aeronautica.
Il progetto di Lufthansa Technik segue questa logica: partire da un componente problematico, analizzare le cause dei guasti, verificare la difficoltà di approvvigionamento, riprogettare la parte per un materiale più adatto e creare una filiera produttiva qualificata.
Il risultato non è soltanto un fermo in titanio al posto di uno in plastica. È un metodo per trasformare un problema di disponibilità dei ricambi in un componente producibile, controllabile e sostituibile singolarmente.
Per le attività di manutenzione aeronautica, dove l’indisponibilità di una parte molto piccola può condizionare interventi molto più costosi, questo modello può diventare uno degli utilizzi più concreti della produzione additiva metallica.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
