Capa por capa

Las piezas de los motores a reacción tienen que soportar fuerzas y temperaturas asombrosas, y deben ser lo más ligeras posible para ahorrar combustible. Eso significa que es complejo y costoso fabricarlos: los técnicos de General Electric sueldan hasta 20 piezas de metal separadas para lograr una forma que mezcle de manera eficiente el combustible y el aire en un inyector de combustible. Pero para un nuevo motor que saldrá el próximo año, GE cree que tiene una mejor manera de fabricar inyectores de combustible: imprimiéndolos.

Para hacerlo, un láser traza la forma de la sección transversal del inyector en un lecho de polvo de cobalto-cromo, fusionando el polvo en forma sólida para construir el inyector una capa ultrafina a la vez. Esto promete ser menos costoso que los métodos de fabricación tradicionales y debería conducir a una pieza más liviana, es decir, mejor. Las primeras partes irán a los motores a reacción, dice Prabhjot Singh, quien dirige un laboratorio en GE que se enfoca en mejorar y aplicar este y otros procesos de impresión 3-D similares. Pero, agrega, no hay día en que no tengamos noticias de alguna de las otras divisiones de GE interesadas en utilizar esta tecnología.

Esta historia fue parte de nuestra edición de enero de 2012

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Estas innovaciones están a la vanguardia de un cambio radical en la tecnología de fabricación que resulta especialmente atractivo en aplicaciones avanzadas como la industria aeroespacial y los automóviles. Las técnicas de impresión 3-D no solo harán que sea más eficiente producir piezas existentes. También harán posible producir cosas que antes ni siquiera eran concebibles, como piezas con formas complejas y recortadas que minimizan el peso sin sacrificar la resistencia. A diferencia de los procesos de mecanizado, que pueden dejar hasta el 90 por ciento del material en el suelo, la impresión 3D no deja prácticamente ningún desperdicio, una gran consideración con metales caros como el titanio. La tecnología también podría reducir la necesidad de almacenar piezas en el inventario, porque es igual de fácil imprimir otra pieza, o una versión mejorada de la misma, 10 años después de que se fabricó la primera. Un fabricante de automóviles que reciba informes de una falla en el mecanismo del cinturón de seguridad podría tener una versión reconfigurada en camino a los concesionarios en unos días.

La fabricación aditiva, como también se conoce a la impresión 3-D, surgió a mediados de la década de 1980 después de que Charles Hull inventara lo que él llamó estereolitografía, en la que la capa superior de un charco de resina se endurece mediante un láser ultravioleta. Varios métodos de impresión 3-D se han vuelto populares entre los ingenieros que desean crear prototipos de nuevos diseños o hacer algunas piezas altamente personalizadas: pueden hacer un plano 3D de una pieza en un programa de diseño asistido por computadora y luego obtener un impresora para escupirlo horas más tarde. Este proceso evita los costos iniciales, los largos plazos de entrega y las limitaciones de diseño de las técnicas convencionales de fabricación de gran volumen, como el moldeo por inyección, la fundición y el estampado. Pero la tecnología se ha adaptado solo a un conjunto limitado de materiales y ha habido dudas sobre el control de calidad. La construcción de piezas de esta manera también ha sido lenta: puede llevar un día o más hacer lo que la fabricación tradicional puede lograr en minutos u horas. Por estos motivos, la impresión 3D no se ha utilizado para tiradas muy grandes de piezas de producción.

Pero ahora la tecnología está avanzando lo suficiente como para producir ciclos de producción en nichos de mercado, como los dispositivos médicos. Y está preparado para entrar en varias aplicaciones más grandes durante los próximos años. Hemos llegado al punto en que se están produciendo suficientes avances críticos para que la tecnología sea realmente útil en la fabricación de piezas de uso final, dice Tim Gornet, quien dirige el Centro de Prototipos Rápidos de la Universidad de Louisville.

Pulsando imprimir : Esta foto muestra una serie de componentes metálicos de motores a reacción impresos en GE.

HACIENDO INGRESOS

Se pueden utilizar varias técnicas para imprimir un objeto sólido capa por capa. En la sinterización, una capa delgada de metal en polvo o termoplástico se expone a un rayo láser o de electrones que fusiona el material en un sólido en áreas designadas; luego se coloca una nueva capa de polvo encima y se repite el proceso. Las piezas también se pueden construir con plástico calentado o metal extruido o rociado a través de una boquilla que se mueve para crear la forma de una capa, después de lo cual se deposita otra capa directamente en la parte superior, y así sucesivamente. En otro método de impresión 3-D, se usa pegamento para unir polvos.

Las empresas aeroespaciales están a la vanguardia en la adopción de la tecnología, porque los aviones a menudo necesitan piezas con geometrías complejas para cumplir con los complicados requisitos de flujo de aire y refrigeración en compartimentos atascados. Aproximadamente 20.000 piezas fabricadas por sinterización láser ya están volando en aviones militares y comerciales fabricados por Boeing, incluidos 32 componentes diferentes para sus aviones 787 Dreamliner, según Terry Wohlers, un consultor de fabricación que se especializa en procesos aditivos. Estos no son artículos que tengan que producirse en masa; Boeing podría fabricar algunos cientos durante todo el año. Tampoco son fundamentales para volar; entre ellos se encuentran los conductos de aire de formas elaboradas necesarios para la refrigeración, que anteriormente tenían que fabricarse en múltiples piezas. Ahora podemos optimizar el diseño de estas piezas en función del peso, y ahorramos material y mano de obra, dice Mike Vander Wel, director del grupo de estrategia de tecnología de fabricación de Boeing. En teoría, este es el método de fabricación definitivo para nosotros. Aunque las limitaciones de velocidad de la impresión 3-D podrían impedirle producir la mayoría de las piezas de Boeing, dice Vander Wel, es probable que el enfoque se utilice en una proporción cada vez mayor de ellas.

El principal rival de Boeing, la Compañía Espacial y de Defensa Aeronáutica Europea (EADS), está utilizando la tecnología para fabricar piezas de titanio en satélites y espera utilizarla para piezas que fabrica en mayor volumen para aviones Airbus. Todavía no sabemos cuál será el alcance de nuestro uso de la fabricación de capas aditivas, pero no vemos ningún obstáculo, dice Jon Meyer, quien dirige la investigación sobre impresión 3-D en la división de trabajos de innovación de EADS en Inglaterra.

Menor escala : Aquí se ve una microimpresora que GE utiliza para probar nuevas formas de construir cosas con materiales cerámicos. Los investigadores están utilizando la máquina para imprimir los transductores que se utilizan como sondas en las máquinas de ultrasonido; creen que podría ahorrar tiempo y dinero al tiempo que mejora el diseño.

La división de motores a reacción de GE puede estar más cerca que nadie de llevar piezas impresas en 3D a una producción comercial a gran escala. Además del inyector de combustible, GE también está sinterizando titanio con láser en formas complejas para tiras de cuatro pies de largo adheridas al borde de ataque de las aspas del ventilador. Estas tiras desvían la suciedad y crean un flujo de aire más eficiente. Hasta ahora, cada uno ha requerido decenas de horas de forjado y mecanizado, durante las cuales se perdió el 50 por ciento del titanio. Al cambiar a la impresión 3-D, la compañía ahorrará alrededor de $ 25,000 en mano de obra y material en cada motor, estima Todd Rockstroh, el ingeniero consultor de GE que dirige el esfuerzo. El filo de la cuchilla y el inyector de combustible comenzarán a aparecer en los motores a partir de 2013, y se integrarán en miles de ciclos de producción a gran escala para 2016.

Mientras tanto, dice Rockstroh, la empresa espera ganar flexibilidad en el diseño mediante el uso de la impresión 3D para más piezas. Cuando descubrió recientemente que un vástago en el inyector de combustible estaba sujeto a niveles excesivos de estrés por calor, una versión rediseñada salió de la impresora en una semana. Antes, habríamos tenido que rediseñar 20 piezas diferentes, con todas las herramientas asociadas, dice Rockstroh. Puede que ni siquiera hubiera sido posible. Y el uso de la impresión 3-D para corrugar el interior de algunas piezas puede reducir su peso hasta en un 70 por ciento, lo que puede ahorrarle a una aerolínea millones de galones de combustible cada año. Esa perspectiva tiene a GE buscando formas de imprimir todo, desde carcasas de cajas de cambios hasta mecanismos de control. Vamos a realizar una gran búsqueda del tesoro de reducción de peso el próximo año, dice Rockstroh.

Los automóviles también podrían beneficiarse de las piezas más ligeras, y Gornet de la Universidad de Louisville señala que los procesos de impresión podrían reducir el peso de las válvulas, pistones e inyectores de combustible al menos a la mitad. Algunos fabricantes de automóviles de ultralujo y alto rendimiento, incluidos Bentley y BMW, ya están utilizando la impresión 3-D para piezas con tiradas de producción de cientos.

Pulido : Un transductor fabricado con la microimpresora de GE (arriba) y el mismo transductor después de haber sido refinado y terminado en otras máquinas (abajo).

RETOS A SUPERAR

Si no fuera por las limitaciones de la tecnología, la impresión 3D ya se utilizaría mucho más ampliamente. Las velocidades son terriblemente lentas en este momento, dice Singh de GE. Todd Grimm, que dirige una consultora de fabricación aditiva en Edgewood, Kentucky, estima que el tiempo que lleva producir una pieza tendrá que mejorar hasta cien veces si la impresión 3D va a competir directamente con las técnicas de fabricación convencionales en la mayoría de las aplicaciones. . Eso no sucederá en los próximos años.

Otro problema: por ahora, solo un puñado de compuestos de plástico y metal se pueden usar en la impresión 3D. En la sinterización por láser, por ejemplo, el material debe poder formar un polvo que se derrita perfectamente cuando se golpea con un láser y luego se solidifica rápidamente. Los compuestos que cumplen con los criterios necesarios pueden costar de 50 a 100 veces más en peso que las materias primas utilizadas en los procesos de fabricación convencionales, en parte porque tienen una demanda tan baja que solo están disponibles en pequeños proveedores especializados.

Sin embargo, a medida que la demanda aumenta con las nuevas aplicaciones, la competencia de los proveedores debería hacer bajar los precios drásticamente. Y la lista de materiales disponibles se está expandiendo lentamente. GE está intentando utilizar cerámica, lo que abriría nuevas posibilidades en motores y dispositivos médicos, entre otras áreas.

La simple experiencia también contribuirá mucho a mejorar la tecnología. Hasta ahora, los fabricantes no tienen datos suficientes para predecir exactamente cómo resultará una pieza y cómo se mantendrá, o cómo las variables de producción, incluida la temperatura, la elección del material, la forma de la pieza y el tiempo de enfriamiento, afectan los resultados. Eso puede ser frustrante, dice Singh: la impresión 3D a menudo termina siendo un arte negro. Una pieza está formada por miles de capas y cada capa es un modo de falla potencial. Todavía no entendemos por qué una pieza sale ligeramente diferente en una máquina que en otra, o incluso en la misma máquina en un día diferente. Por ejemplo, el proceso de estratificación tiende a acumular tensiones entre capas de formas impredecibles, de modo que algunas partes terminan distorsionadas. La porosidad también puede variar dentro de las piezas, lo que genera preocupaciones sobre la fatiga o la fragilidad. Eso podría ser un gran problema en los motores de los aviones o los puntales de las alas. Sabemos cómo hacer que los metales sean lo suficientemente fuertes, dice Vander Wel de Boeing. Pero nos preocupa la imprevisibilidad. ¿Podemos repetir un resultado para obtener 100 partes que sean exactamente iguales? Aún no estamos seguros.

Incluso con estos desafíos, el tiempo está del lado de la impresión 3D, dice Vander Wel, y no solo porque los procesos están mejorando. Es comprensible que los ingenieros se muestren reacios a adoptar una nueva tecnología para piezas críticas cuando están en juego sus plazos y su reputación, sin mencionar la vida de las personas en los aviones. Pero los diseñadores más jóvenes se están adaptando más rápidamente, dice. No se apresuran a decir: 'No se puede construir de esta manera'.

David H. Freedman, un periodista científico con sede en Boston, escribió sobre optogenética en la edición de noviembre / diciembre de 2010 de NIÑOS . Su último libro es Incorrecto: por qué los expertos siguen fallando .

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