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El motor de microturbina impreso en 3D desarrollado por Technion - Instituto de Tecnología de Israel y el software PTC ... [+] visto aquí en un corte que muestra la estructura interna.

Un aspecto de cómo funciona la impresión 3D industrial que es difícil de entender al principio es su capacidad para construir partes dentro de otras partes. Una impresora 3D de metal convierte un objeto en una capa horizontal delgada como un cabello a la vez. Así que imagina imprimir en 3D un artículo como una cadena. Está construido ya enlazado en círculos completamente sólidos. Por el contrario, en la fabricación tradicional, los eslabones individuales primero se enderezan, luego se doblan y se unen uno por uno, lo que es más lento, requiere más mano de obra y tiene puntos débiles en cada eslabón. Es el mismo principio de fabricación antiguo para la joyería que para las cadenas que sostienen las anclas de los barcos de la marina.

La capacidad de la impresión 3D para fabricar objetos, como una cadena ya unida, está alterando la forma en que siempre se han fabricado las cosas. Ofrece a los ingenieros una nueva libertad de diseño, sin las limitaciones de la fabricación tradicional.

Para recalcar este punto, utilizando una pieza impresa en 3D mucho más compleja que un eslabón de cadena, la compañía de software PTC mostró un motor a reacción completamente impreso en 3D, en una sola pieza, en el evento de lanzamiento de su producto el mes pasado en Boston, Massachusetts.

Impreso en 3D en Iconel, este motor de microturbina de 8 libras, que se muestra aquí abierto para revelar las ... [+] estructuras internas, puede ser el futuro de vehículos aéreos no tripulados más económicos.

El ensamblaje del motor nació completamente ensamblado

El motor de microturbina pesa alrededor de ocho libras y está impreso en 3D como un solo componente, incluidas todas las partes giratorias y estacionarias, todo a la vez. Aunque parece sólido desde el exterior, en el interior hay estructuras de celosía para minimizar el peso y canales para permitir el flujo de aire y combustible. Una microturbina típica, por el contrario, contiene más de 33 piezas que se mecanizan individualmente y luego se ensamblan.

"Realmente no se requieren otros componentes para que este motor funcione aparte de la carcasa", dice Steve Dertien, director de tecnología de PTC. "Todo lo demás, desde los cojinetes hasta el sello y el enfriamiento, está diseñado".

PTC dice que este motor impreso aditivamente se encendería como cualquier otro motor de microturbina, aunque en realidad no se ha probado de esta manera. Como proyecto de investigación no comercial, PTC no planea vender este motor en particular, pero no faltan empresas que buscan hacer que las turbinas compactas sean más asequibles para aplicaciones, como UAV más livianos y de tamaño moderado.

"Hoy en día, los motores de microturbina requieren procesos de ensamblaje complejos de muchas piezas costosas, lo que coloca a los clientes directamente en el punto de mira de las dependencias de la cadena de suministro, la disponibilidad limitada y los fabricantes que mantienen la experiencia adecuada de los empleados para completar los ensamblajes", dijo PTC en el lanzamiento del producto.

Un motor de microturbina monolítico impreso en 3D puede reducir drásticamente los costos, acelerar la producción e introducir nuevas eficiencias que no son posibles con los motores fabricados tradicionalmente.

Con la impresión 3D, también llamada fabricación aditiva, no se requieren herramientas para moldear o mecanizar piezas. Elimina la necesidad de soldar o unir piezas que pueden introducir debilidades. Y también existe la posibilidad de fabricación bajo demanda en el sitio, ya que no es necesario enviar ningún componente desde otro lugar ni tener mano de obra calificada disponible.

"Cuando el motor es solo una unidad, es barato producirlo y reemplazarlo", dice Dertien, "no tiene que pensar en repuestos. Si se rompe, imprima uno nuevo".

El motor tardó 13 horas en imprimir en una impresora 3D de fusión de lecho de polvo láser de metal de EOS (su modelo M300) utilizando Inconel como material. Inconel es un metal extremadamente fuerte y resistente al calor que es muy difícil de mecanizar, por lo que, en la fabricación tradicional, a menudo solo se usa para las piezas de escape de un motor de turbina.

Este motor de microturbina en particular pretende ser una parte icónica que demuestre lo posible, dice Dertien. "El objetivo de Uber era hacer algo extraordinario, pero accesible".

Por supuesto, PTC no es un fabricante de aditivos metálicos. Hace software.

El proyecto del motor fue una asociación con investigadores de Technion - Instituto de Tecnología de Israel. Si pudieran desarrollar e imprimir en 3D un motor a reacción viable, una de las piezas de maquinaria más complejas que existen, teniendo en cuenta los requisitos de rendimiento para el funcionamiento y la complejidad de los componentes, demostraría cómo los ingenieros pueden repensar la fabricación de este tipo de motores utilizando tecnología avanzada. software que entiende la fabricación aditiva.

"El motor de impresión aditiva es la culminación de los últimos cinco o seis años de poner herramientas de ingeniería aditiva en el software CAD (diseño asistido por computadora)", dice Dertien. "Representa la vanguardia de lo que es capaz de hacer la fabricación aditiva, y algunas de estas características serían impensables hace solo unos años".

Creo es el nombre de la plataforma de software de ingeniería y diseño de PTC con herramientas específicas para incorporar los tipos de diseños y características de las piezas que solo son posibles con la fabricación aditiva. Sin embargo, estas herramientas suelen ser un misterio para los ingenieros que utilizan el software para su trabajo diario.

El software de ingeniería de PTC, Creo, incluye características, como esta herramienta de diseño de celosía, que permite a los ingenieros construir piezas más livianas para la fabricación aditiva.

La fabricación aditiva de metal tiene solo unas pocas décadas, señala Dertien, por lo que es posible que los ingenieros no hayan aprendido sobre esto en la escuela, además, muchas cosas han cambiado. El software de ingeniería como Creo puede calcular el grosor de la pared que debe tener la turbina para cumplir con la presión prevista, puede generar la estructura de celosía ideal para las paredes internas y puede tener en cuenta que la pieza se imprimirá en 3D, por lo que puede ofrecer ideas. para consolidar piezas.

En muchos sentidos, el software de diseño de ingeniería ha estado a la vanguardia en la fabricación aditiva. La capacidad de diseñar piezas específicamente para la fabricación aditiva está aquí, pero su aplicación está un poco rezagada, aparte de los motores de cohetes, los implantes médicos y los proyectos conceptuales, como el Czinger.Hipercoche 21C.

Creo es uno de una variedad de programas de software de ingeniería y CAD, incluidos Fusion 360 de Autodesk, Siemens NX, nTop y CATIA de Dassault Systèmes, con la esperanza de estimular una mayor adopción de la fabricación aditiva al proporcionar las herramientas de diseño que la hacen posible.

PTC quiere que los ingenieros "piensen de forma aditiva" y apliquen los atributos de la tecnología a motores, satélites, automóviles e innumerables otros ensamblajes complejos.

Creo, y otras plataformas de software similares, hoy en día incluyen algoritmos complejos para optimizar los diseños de un producto en función de sus limitaciones de tamaño y peso. Los productos pueden comenzar como especificaciones de lo que tiene que lograr, en lugar de las limitaciones de cómo debe construirse. El conjunto de procesos y herramientas para diseñar una pieza para impresión 3D se llama DfAM, diseño para fabricación aditiva.

Cuando llegó el momento de diseñar el ensamblaje del motor a reacción, los ingenieros de PTC, dirigidos por el Dr. Ronen Ben Horin, vicepresidente de tecnología de PTC e investigador sénior en Technion, y Beni Cukurel, profesor asociado de aeroespacial en Technion, utilizaron Creo para no solo diseña sino que simula el rendimiento del motor. El proyecto tomó alrededor de dos años y está en curso. La próxima iteración de la microturbina agilizará aún más la fabricación, según Dertien.

Otros fabricantes, incluida Sierra Turbines, con sede en California, también buscan microturbinas económicas y eficientes monolíticas impresas en 3D habilitadas por las herramientas de software DfAM.

La competencia por mejores motores, máquinas y robótica que no esté limitada por la forma en que siempre se han hecho las cosas continúa impulsando la adopción de la fabricación aditiva.