Cómo mantenerse a la vanguardia de la competencia con innovación en el diseño de piezas de aviación

En el sector aeroespacial, la carrera por dominar los cielos comienza con componentes de aeronaves más inteligentes. La innovación en el diseño de piezas está cobrando protagonismo entre los fabricantes. Las empresas están replanteando la forma, el peso, la función y la construcción de componentes críticos.

Un mayor enfoque en el diseño de piezas puede reducir drásticamente los costos. Aproximadamente entre el 70 % y el 80 % del costo del ciclo de vida de un producto se determina durante la fase de diseño, lo que la convierte en la etapa de producción con mayor rentabilidad. Los ingenieros están reduciendo gramos, transformando alas en cabinas modulares y diseñando aeronaves de nueva generación que priorizan el rendimiento, la eficiencia y la sostenibilidad.

Por qué el diseño de piezas es el nuevo campo de batalla de la innovación en la aviación

Los líderes de la aviación están apostando fuertemente por un diseño de piezas más estratégico para gestionar los costos yincertidumbre de la cadena de suministro.

Delta y Airbus ampliaron recientemente su colaboración de varias décadas para impulsar la innovación en componentes y sistemas. A través de los laboratorios UpNext de Airbus, están probando todo tipo de componentes, desde diseños avanzados de alas hasta sistemas de asistencia a las aeronaves, con el objetivo de mejorar la eficiencia del combustible y la capacidad de respuesta estructural en flotas nuevas y existentes.

Delta participa activamente en los procesos de ingeniería de Airbus a través de la participación en pruebas y ciclos de retroalimentación de diseño continuos.

Al mismo tiempo, Delta también se asocia con JetZero para lanzar al mercado una estructura de avión radicalmente diferente. La nueva estructura, un diseño de ala-cuerpo combinado (BWB), tiene el potencial de reducir el consumo de combustible hasta en un 50 %. Fundamentalmente, estos diseños BWB utilizan motores actuales, lo que demuestra que las mejoras no siempre requieren mejoras importantes en la propulsión.

Del legado al despegue: más allá del diseño tradicional

La mayoría de los diseños de aeronaves tradicionales no se construyeron teniendo en cuenta los costos de combustible ni los objetivos de emisiones actuales. Los aviones de antaño se optimizaron para la producción en masa, pero el diseño actual de la estructura se está reinventando radicalmente.

El modelo BWB de JetZero reemplaza el fuselaje estrecho y tubular por un fuselaje ancho integrado directamente en las alas. Este diseño aprovecha los motores y la infraestructura aeroportuaria existentes, ofreciendo mayor sustentación, menor resistencia aerodinámica y una distribución uniforme del peso.

Mientras tanto, Airbus ha lanzado el proyecto "Ala eXtra Performance" para explorar nuevas alas adaptables que se ajustan en pleno vuelo para maximizar la eficiencia aerodinámica. El comportamiento de vuelo de las aves es la inspiración para estas nuevas alas de alto rendimiento, diseñadas para responder dinámicamente a las condiciones del flujo de aire.

En ambos casos, no son los nuevos materiales ni los sistemas de propulsión los que impulsan los avances. Más bien, se trata de nuevas ideas sobre lo que las piezas pueden y deben hacer.

La fabricación aditiva está cambiando el juego de las piezas

La fabricación aditiva (FA), en teoría, permite a los ingenieros imprimir prácticamente cualquier cosa, reducir los residuos, omitir el uso de herramientas y acelerar las iteraciones. En la práctica, Boeing ya ha impreso más de 70.000 piezas para sus aviones mediante FA, algunas de las cuales ya vuelan con una mejor relación resistencia-peso que sus homólogas mecanizadas.

La tecnología ofrece ventajas que van mucho más allá del peso y el coste. La tecnología aditiva optimiza el diseño para la función, como geometrías complejas como estructuras reticulares, interiores huecos y canales de refrigeración internos, que antes se creían imposibles con el mecanizado tradicional. Con la fabricación aditiva, ahora son una apuesta segura. Estas innovaciones se traducen en un mejor rendimiento térmico, amortiguación de vibraciones y resistencia a la fatiga, especialmente en entornos de vuelo hostiles.

Los conductos de control ambiental impresos de Boeing son un ejemplo destacado. Los ingenieros rediseñaron la estructura interna mediante impresión 3D, reduciendo así el número total de piezas de docenas a una, reduciendo drásticamente la mano de obra de ensamblaje, reduciendo el peso y mejorando la eficiencia del flujo de aire.

La fabricación aditiva, ampliamente implementada, brinda a los equipos de diseño actuales la libertad de repensar lo que es posible.

Lo aditivo se fusiona con lo híbrido: el auge de la fabricación de piezas multiproceso

Si bien la fabricación aditiva ha abierto las puertas a geometrías complejas, no siempre es la solución definitiva. Cada vez más, los fabricantes combinan procesos aditivos con técnicas sustractivas, como el mecanizado CNC, para lograr tolerancias ajustadas, acabados más suaves o refuerzos estructurales.

Este enfoque híbrido, a veces denominado "fabricación aditiva-sustractiva", se está utilizando en piezas que requieren estructuras reticulares internas para reducir el peso, pero que también requieren superficies mecanizadas para conexiones atornilladas o acoplamientos a componentes antiguos. Este modelo permite flexibilidad en el diseño.yPrecisión en el ajuste.

Boeing y otros fabricantes de equipos originales ya están invirtiendo en máquinas herramienta híbridas que alternan entre deposición láser y fresado en la misma configuración, logrando menores índices de desperdicio y la capacidad de iterar más rápido en piezas que antes no se podían construir.

Los equipos de diseño aeroespacial que adoptan métodos híbridos pueden utilizar la fabricación como trampolín para ideas aún más audaces.

El papel de la simulación en el diseño de piezas de próxima generación

El diseño de piezas más inteligentes comienza con el software de modelado. Los líderes de la industria aeroespacial recurren considerablemente a herramientas de simulación para realizar pruebas de estrés virtuales en las piezas antes de su entrada en producción. Estas evaluaciones digitales, ya sea de tensión térmica, dinámica de fluidos o fatiga a lo largo del tiempo, ofrecen a los ingenieros mayor capacidad para detectar fallos de forma temprana, iterar con rapidez y evitar costosas rondas de prototipos físicos.

Empresas como Boeing y Airbus ya utilizan herramientas como Siemens NX, Ansys y Dassault Systèmes para validar nuevas piezas, predecir la fatiga del material y modelar el rendimiento de todo el sistema. Para piezas complejas de fabricación aditiva, esta simulación es crucial. El equipo de fabricación aditiva de Boeing utiliza el modelado para probar piezas optimizadas topológicamente (geometrías de alta eficiencia y peso reducido) que serían imposibles de evaluar con métodos tradicionales.

Estas herramientas también son esenciales para el escalado. A medida que las piezas se vuelven más complejas, la simulación reduce la necesidad de múltiples y costosas compilaciones y pruebas físicas, lo que agiliza y abarata la innovación sin comprometer la seguridad ni los estándares de certificación.

Delgado, ágil y probado en vuelo

El diseño innovador de piezas solo importa si es escalable. Es ahí donde los equipos de diseño modernos combinan el desarrollo ágil, la validación basada en simulación y los ciclos de retroalimentación del mundo real para acelerar los ciclos de forma segura.

La colaboración de Delta con Airbus incluye pruebas de vuelo en vivo de "fello'fly", una técnica que imita la formación en V de los gansos migratorios. El avión líder genera una corriente ascendente que el avión que lo sigue puede aprovechar para reducir la resistencia aerodinámica y ahorrar combustible. Se trata de una optimización aerodinámica posible gracias a un cuidadoso diseño de sistemas y una exhaustiva simulación antes de comenzar los vuelos de prueba.

Mientras tanto, empresas como JetZero están aplicando principios lean a todos los flujos de trabajo de diseño de aeronaves. Al centrarse en menos piezas multifuncionales y en la construcción...gemelos digitalesAl implementar sus aviones de manera temprana, pueden iterar más rápido y colaborar más profundamente con socios como Delta y la Fuerza Aérea de los EE. UU.

Este enfoque de diseñar rápido, probar con frecuencia y fracasar en el intento se está volviendo cada vez más estándar en los programas aeroespaciales avanzados.

Inspiración intersectorial: tomando prestado de la automoción y la defensa

Puede que la industria aeroespacial esté revolucionando los límites del vuelo, pero algunas de sus estrategias de diseño de componentes más inteligentes provienen de fuera de la industria. Los conocimientos de los sectores automotriz y de defensa, pioneros desde hace mucho tiempo en la reducción de peso, la modularidad y las prácticas de diseño para la fabricación, se están incorporando ahora a la aviación.

Por ejemplo, el uso de software de diseño generativo en la industria automotriz ha allanado el camino para piezas de aeronaves que priorizan la eficiencia de los materiales. El soporte del cinturón de seguridad impreso en 3D de GM —una sola pieza que reemplazó ocho componentes— es conceptualmente similar a cómo Boeing redujo docenas de piezas de conducto en una sola pieza de fabricación aditiva.

Mientras tanto, la larga trayectoria del sector de defensa en sistemas modulares de armas y drones ha inspirado la revisión de los interiores de las aeronaves y los protocolos de mantenimiento. La exploración de Airbus de zonas modulares de carga y pasajeros se inspira directamente en el diseño de defensa, donde se requiere una rápida reconfiguración de las misiones.

Estas estrategias de cruce demuestran que la innovación en el diseño de piezas no necesita inventarse desde cero. A veces, la ventaja reside en adaptar lo ya probado en entornos de alto riesgo.

Cómo asegurar el futuro de su propio proceso de diseño de piezas

No es necesario ser Airbus o Delta para modernizar su enfoque. Basta con adoptar un enfoque integrador del diseño. Los equipos aeroespaciales más vanguardistas abordan el diseño, las pruebas, la fabricación y la sostenibilidad como una sola conversación desde el principio.

Esto significa:

El factor humano: cómo los operadores y mantenedores dan forma al diseño

Los diseños de piezas más inteligentes en aviación son aerodinámicos, rentables y adaptados a las necesidades humanas. Cada vez más, los fabricantes priorizan las necesidades de los equipos de mantenimiento, los pilotos y los operadores al diseñar componentes, ya que incluso la pieza más avanzada falla si es demasiado difícil de usar o reparar en condiciones reales.

Los ingenieros de la división TechOps de Delta han colaborado estrechamente con sus socios de diseño para reducir la cantidad de sujetadores y simplificar los puntos de acceso en sistemas críticos. Un cambio aparentemente menor, como reorientar un pestillo o añadir indicadores visuales, puede ahorrar miles de horas de trabajo al año en toda una flota.

Los pilotos también influyen en el diseño. La introducción de controladores de palanca lateral y pantallas de visualización frontal por parte de Airbus surgió de la retroalimentación en cabina, cuyo objetivo era reducir la carga cognitiva y mejorar el tiempo de reacción en situaciones de alto estrés.

Y a medida que las cabinas se vuelven más modulares y tecnológicamente avanzadas, los empleados de las aerolíneas son cada vez más consultados sobre la experiencia del usuario. La participación de Delta en la planificación del interior de JetZero no se limitó a la estética. Las aportaciones de los empleados ayudaron a garantizar que el personal de servicio pudiera acceder eficientemente al almacenamiento, asistir a los pasajeros con movilidad reducida y desplazarse con seguridad en los aviones.

Las empresas que involucran a sus usuarios finales van más allá del rendimiento teórico y diseñan para condiciones reales. Este ciclo de retroalimentación humana, a menudo pasado por alto, suele ser la ventaja competitiva ganadora.

Diseño para propulsión alternativa

El cambio hacia el hidrógeno, la electricidad y los combustibles de aviación sostenibles (SAF) está cambiando lo que los diseñadores deben planificar desde el primer día.

La propulsión con hidrógeno, por ejemplo, requiere almacenamiento criogénico y contención a alta presión. Esto altera todo, desde el centro de gravedad hasta la ubicación de los refuerzos estructurales. El programa ZEROe de Airbus, que incluye un avión comercial propulsado con hidrógeno, ha impulsado innovaciones en el diseño de componentes en sus primeras etapas, desde el blindaje térmico hasta materiales que no se fracturan bajo ciclos de enfriamiento intensos.

Las aeronaves eléctricas presentan diferentes desventajas. Las baterías son pesadas y propensas al sobrecalentamiento, lo que implica que es esencial contar con piezas más ligeras en otros lugares, junto con un diseño más inteligente del flujo de aire. La gestión térmica y los requisitos de redundancia también impulsan a los equipos de diseño a replantear la ubicación tradicional de motores, conductos e incluso equipos de cabina.

En general, diseñar una propulsión más ecológica significa rediseñar lo que la rodea, y eso comienza a nivel de pieza.

La lección para los fabricantes competitivos

Si todavía trata el diseño de piezas como una etapa fija en un proceso lineal, tiene una tremenda oportunidad de repensar todo el ciclo de vida de su producto, reduciendo costos, acelerando el desarrollo y construyendo aeronaves más resistentes y preparadas para el futuro desde cero.

Boeing está diseñando piezas que no existían hace cinco años. Airbus usa gansos voladores como modelo para la eficiencia de rutas. Y JetZero está repensando lo que es un avión.esEstos no son proyectos secundarios; son la actividad principal, posible gracias a una cultura multifuncional que prioriza la simulación y la seguridad y la sostenibilidad.

El futuro de la aviación se construye en los detalles. Los métodos antiguos fallan. Los nuevos diseños, perfeccionados con herramientas inteligentes y lecciones aprendidas con esfuerzo, forjan la ventaja competitiva. Así es como los aviones superarán la prueba: ágiles, eficientes y listos.

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Recursos:

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