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Newport News Shipbuilding, Newport News, Virginia, una división de HII, está construyendo el portaaviones de propulsión nuclear Enterprise (CVN 80) para la Marina de los Estados Unidos. El astillero también construyó el Enterprise anterior, CVN 65, que fue el primer portaaviones de propulsión nuclear del mundo.

Con más de 1100 pies de largo y 130 pies de ancho en su punto más ancho, este nuevo Enterprise será uno de los portaaviones más grandes de su clase, y muchos de sus componentes individuales serán proporcionalmente grandes, hasta las bisagras de 400 libras que conectará la puerta del compartimiento del reactor de la nave al mamparo.

La creación de estas bisagras de la manera tradicional a través de la fundición de metal, habría sido perjudicial para el cronograma general de construcción. Pero la tecnología de fabricación aditiva, o la impresión de metal en 3D usando capas de soldadura, permitió que Newport News Shipbuilding hiciera el trabajo en mucho menos tiempo.

Todos a bordo por la tecnología

“Esta bisagra en sí es simple”, explicó Rich Wilmoth, gerente de ingeniería de Newport News Shipbuilding. “Es tan simple como la mayoría de las otras bisagras. Sin embargo, tiene un trabajo muy importante, y ese trabajo es mantener la puerta que asegura la contención en el compartimiento del reactor fijada al mamparo y que funcione correctamente”.

Pero el proceso de fundición de las bisagras habría sido lo suficientemente lento como para crear problemas de programación con la construcción general del portaaviones, por lo que Wilmoth y su equipo comenzaron a explorar opciones alternativas.

“Una de las posibles soluciones que me presentaron fue: ‘Oye, ¿podemos fabricar estas bisagras de puerta del compartimento del reactor de forma aditiva?’. Lo primero que pensé fue: ‘Esto va a ser un gran desafío’, no necesariamente por los aspectos técnicos sino por debido a todas las aprobaciones que serían necesarias. Así que mi equipo decidió que seguiríamos impulsando la idea hasta que alguien nos dijera ‘No’”, dijo Wilmoth.

Una multitud de componentes de barcos se fabrican con aceros templados y de baja aleación, específicamente HY-80 y HY-100. Encontrar alternativas adecuadas o materiales de reemplazo para estos aceros es de gran interés porque ayuda a evitar retrasos en la programación.

Wilmoth y su equipo redactaron una propuesta para la Marina y se acercaron a Lincoln Electric, con quien ya habían estado trabajando en varios proyectos de impresión de metales en 3D y que alberga la fábrica de impresión de metales en 3D basada en cables más grande del mundo.

MIL-100S-1 es la clasificación comúnmente asociada con los electrodos de relleno de soldadura utilizados para unir estos aceros de baja aleación, templados y revenidos. Lincoln Electric ha sido proveedor de electrodos MIL-100S-1 durante décadas, pero más recientemente, la compañía agregó el mismo producto a su cartera de electrodos para impresión 3D de metales a través de soldadura robótica por arco metálico con gas. A partir de ahí, surgió un plan para usar esta solución para construir las bisagras del compartimiento del reactor de una manera que fuera más adecuada para el cronograma general de construcción de Newport News Shipbuilding.

Wilmoth encontró sorprendente la velocidad de toda la iniciativa. “Fue algo que nunca había visto en el astillero”, compartió. “No tiene precedentes en mi tiempo. Desarrollamos un proceso, un plan de calificación y obtuvimos la aprobación de la Marina en menos de diez semanas. Y eso es en realidad un logro de muchas personas. Mi grupo trabajó muy duro en ello, pero (Lincoln Electric) y la Marina también dieron un paso al frente, y estaban entusiasmados al igual que nosotros porque es una tecnología nueva y está preparando el camino para lo que podemos hacer en otros artículos en el futuro”.

Newport News Shipbuilding ejecutó su plan de calificación aprobado para garantizar que no se comprometiera la calidad o las propiedades del material con las bisagras impresas en 3D por Lincoln Electric. Como tal, se imprimieron piezas adicionales y cupones de prueba y sirvieron como artículos de sacrificio para pruebas destructivas y determinación de propiedades mecánicas. Todos los componentes y cupones de prueba también pasaron por un extenso examen no destructivo. Los artículos de sacrificio se liberaron de la tensión en el mismo ciclo del horno que las piezas destinadas a desplegarse en el barco. En total, las pruebas de más de una docena de probetas de flexión, más de dos docenas de probetas de tensión y más de cuatro docenas de probetas Charpy con muesca en V demostraron que las bisagras cumplían con los requisitos necesarios para reemplazar el material tradicional. Además, el astillero probó numerosos componentes de subescala de manera funcional, todos los cuales excedieron los requisitos de prueba.

Además de mantener la construcción a tiempo, la impresión 3D en metal ofrece una variedad de otros beneficios, no solo para las operaciones de Newport News Shipbuilding, sino también para los fabricantes de prácticamente cualquier industria. Amplía la libertad de diseño y proporciona la flexibilidad para implementar mejoras sobre la marcha.

La capacidad de crear piezas de repuesto bajo demanda reduce los costos de almacenamiento e inventario y ayuda a los fabricantes a responder mejor a los problemas al incorporar mejoras de diseño sobre la marcha.

Las soluciones de impresión 3D de metal también reducen el material de desecho y fomentan la sostenibilidad. La fabricación tradicional se basa en el mecanizado de grandes bloques de metal, y el material de desecho debe reprocesarse antes de reutilizarse en el flujo de material, todo lo cual contribuye a la huella de carbono del fabricante. Pero un proceso robótico que construye partes capa por capa asegura que casi todo el material se use la primera vez.

Un legado de innovación

El cambio rápido en la fabricación de la puerta del compartimiento del reactor con la solución de impresión 3D está ayudando a continuar con la construcción del Enterprise (CVN 80).

Wilmoth sugiere que el uso de tecnología de fabricación aditiva para crear las bisagras del nuevo Enterprise resuena con el legado del predecesor del barco (CVN 65), que también fue producto de procesos de fabricación que eran de última generación para su época.

“La Enterprise anterior tenía que ver con la innovación”, dijo. “Así que creo que fue muy apropiado que tuviéramos las primeras piezas fabricadas con aditivos permanentes en la segunda Enterprise. Podría haber sucedido en cualquier otro barco y habríamos seguido los mismos pasos, pero sentimos que fue muy apropiado y emocionante que sucediera en el CVN 80”. 

RICHARD WILMOTH es gerente de ingeniería y JADE NGUYEN es ingeniero en Newport News Shipbuilding, Newport News, Virginia. J. BEN SCHAEFFER es ingeniero, soluciones aditivas, y D. MARK DOUGLASS es gerente de desarrollo comercial, soluciones aditivas, en The Lincoln Electric Co., Cleveland Ohio.