La fabricación aditiva presenta oportunidades para mejorar el diseño y la producción de componentes

La fabricación aditiva, también conocida comúnmente como impresión 3D, continúa ganando terreno en muchas industrias, incluida la energía hidráulica.

Valeria Tirelli, presidenta y directora ejecutiva de Aidro Hydraulics 3D Printing, una empresa de metal de escritorio, y miembro deportes de poder Consejo Asesor Editorial de , dijo que su empresa descubrió la fabricación aditiva hace unos años.»La idea inicial era utilizar la fabricación aditiva para fabricar herramientas o prototipos para nuestra producción hidráulica». Pero a medida que la empresa la usó más y comprendió el potencial de la tecnología, Aidro se dio cuenta de que podía cambiar la forma en que diseña las piezas y adoptar los principios de la fabricación aditiva, donde el material se agrega solo donde se necesita.

Como explica Tirelli, la fabricación aditiva ofrece un enfoque completamente diferente a la fabricación tradicional de componentes hidráulicos. En lugar de comenzar con un bloque de metal mecanizado, el polvo de metal se coloca en capas y se agrega según sea necesario. Esto conduce a la capacidad de crear diseños nuevos y más optimizados con diferentes geometrías e incluso a reducir el número de piezas y el peso del conjunto.

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Aumentar el potencial de fabricación

Tirelli señaló que la fabricación aditiva puede ofrecer muchas ventajas. Uno de ellos es la capacidad de integrar múltiples componentes en una sola unidad. En lugar de ensamblar tres o cuatro componentes, como válvulas y colectores, se puede diseñar una sola pieza para contener estos componentes.

Esto ayuda a reducir el peso y elimina la necesidad de ensamblar y la posible fuga del acoplamiento de múltiples componentes. También reduce la cantidad de mecanizado requerido para diferentes partes.

La fabricación aditiva también puede mejorar la sostenibilidad, dijo. Se utiliza menos material y energía que los métodos de fabricación tradicionales. Debido a que se usa menos material, generalmente se requiere menos maquinado, lo que equivale a usar menos energía para producir la pieza.

Los esfuerzos de sostenibilidad también pueden beneficiarse del uso de la fabricación aditiva para crear piezas más livianas, especialmente para el cliente final de la pieza. Los vehículos o la maquinaria móvil con componentes ligeros instalados pueden beneficiarse de una mayor eficiencia de combustible, ya que el uso de componentes más ligeros ayuda a reducir el peso total del vehículo, lo que reduce el consumo de combustible.

A medida que la industria de la movilidad avanza hacia una mayor electrificación, la capacidad de fabricar y utilizar componentes livianos será particularmente beneficiosa para compensar el mayor peso de otros componentes, como las baterías, y garantizar que se logren las ganancias de eficiencia requeridas.

Para ayudar a mejorar la sostenibilidad en el diseño, multiespectral Una empresa que desarrolla fotopolímeros avanzados para la fabricación aditiva ha creado una herramienta de realidad aumentada (AR) que puede ayudar a validar los diseños antes de crearlos. Esto ayuda a reducir la cantidad de material prototipo que podría desecharse.

«Hay mucha impresión 3D solo para visualizar el [aspecto y la sensación] de una pieza», explicó el fundador de PolySpectra, Raymond Weitekamp. No importa cuán bueno sea uno en CAD y evalúe todos los ángulos y dimensiones posibles de una pieza, aún se imprimirá y luego posiblemente se descartará porque la forma no es la que se imaginó originalmente.

La herramienta gratuita basada en la web de PolySpectra permite a los usuarios cargar sus archivos STL (un tipo de archivo estándar para la impresión 3D) para obtener una vista previa instantánea de AR de sus diseños. Una vez cargado, puede mover el renderizado AR con el cursor de su computadora para ver cómo se ve desde todos los ángulos. Los códigos QR permiten ver los archivos en el teléfono, lo que facilita aún más su uso. acceso ar.polyspectra.com Obtenga una vista previa y use herramientas AR.

Con esta herramienta, los equipos de diseño pueden evaluar lo que Weitekamp llama prototipos sin calidad. Si bien no se puede probar de la misma manera que un prototipo físico, permite evaluar el diseño en una etapa temprana y permite realizar modificaciones antes de la impresión, lo que reduce el desperdicio de material y el tiempo de impresión.

Si bien la representación en la herramienta AR puede no ser perfecta o verse exactamente como en la vida real, permite una iteración rápida del diseño, dijo Weitekamp.»Si lo necesita en esa etapa, puede cambiar el diseño y volver a cargar la vista previa cada pocos segundos», dijo, lo que puede beneficiar el proceso de desarrollo.

Señala que muchas veces, una vez impreso en 3D, lo que parece un buen diseño en CAD no lo es. Mediante el uso de herramientas AR, los diseños se pueden demostrar mejor sin desperdiciar material, tiempo o piezas completamente impresas.

A medida que la tecnología AR continúa avanzando, también lo hará la posibilidad de evaluar y modificar diseños rápidamente.»Creo que lo que es realmente emocionante de esta idea de fabricación o creación de prototipos sin masa es que aún puede tener [personalización y opciones] y tener una huella de carbono significativamente menor», dijo Weitekamp.

Oportunidades digitales y de cadena de suministro

La digitalización del proceso de fabricación es otra de las ventajas que puede aportar la fabricación aditiva. Por ejemplo, herramientas como PolySpectra hacen que los archivos digitales sean fáciles de ver y compartir.

“Una visión para la impresión 3D es avanzar hacia lo que yo llamo fabricación digital distribuida, pero algunas personas lo llaman una versión del almacén virtual”, dijo Weitekamp. En lugar de tener un almacén lleno de componentes que necesitan seguimiento, una empresa puede tener una base de datos de documentos. Cuando se necesita una pieza, se encuentra el archivo correspondiente y se imprime en 3D.

Esto puede ahorrar mucho espacio de almacenamiento y tiempo dedicado a buscar piezas. También puede ayudar a la cadena de suministro al minimizar la cantidad de piezas que envían las empresas porque puede imprimirlas en 3D.

Tirelli también señaló los beneficios de la fabricación aditiva para la producción de repuestos.»Con la fabricación aditiva, tenemos el potencial de crear inventarios digitales. Entonces, con la fabricación aditiva, podemos mantener los archivos [y las impresiones 3D] a pedido, en lugar de mantener la pieza física en el inventario y conservarla durante 20 años. «

La producción bajo demanda se puede utilizar para producir piezas que pueden descontinuarse y brinda la oportunidad de producir piezas cuando y donde se necesitan porque los archivos se pueden guardar y enviar digitalmente. Esto permite la impresión local de piezas, lo que, según Tirelli, ahorra no solo costos de inventario, sino también costos de envío y envío.

El OEM de vehículos Daimler Bus AG anunció en mayo de 2022 que los propietarios de autobuses y autocares Mercedes-Benz y Setra podrán imprimir piezas de repuesto en 3D en sus instalaciones. Los clientes necesitarán una impresora 3D certificada, un proceso de registro único y una licencia para las piezas requeridas, dijo la compañía en un comunicado de prensa anunciando el nuevo producto, en la cantidad requerida de piezas requeridas.

Este nuevo producto permite a los clientes obtener las piezas de repuesto que necesitan de forma más rápida y sencilla, lo que ayuda a minimizar el tiempo de inactividad potencialmente costoso. A partir de junio de 2022, más de 100 partes de los más de 1500 componentes imprimibles en 3D diferentes actuales estarán disponibles como las primeras licencias para el almacén digital, dijo Daimler Bus AG en su comunicado de prensa. Se añadirán más piezas en el futuro.

Mejorar la cadena de suministro a través de estas capacidades digitales es lo que muchos ven como una ventaja clave de la fabricación aditiva. Al producir piezas bajo demanda donde se necesitan, habrá menos dependencia del transporte, lo que reducirá los problemas de la cadena de suministro que muchas personas enfrentan actualmente.

La capacidad de integrar varias piezas en una sola unidad también puede beneficiar a la cadena de suministro al reducir la cantidad de piezas que deben enviarse, señaló Tirelli.

A principios de mayo de 2022, el presidente de EE. UU., Joe Biden, lanzó una iniciativa de impresión 3D como medio para mejorar las cadenas de suministro. Apodado AM Forward, su objetivo es que las empresas privadas compren piezas producidas mediante fabricación aditiva (AM) de proveedores más pequeños de EE. UU. reportar colina .

Las empresas iniciales que participan en AM Forward incluyen GE Aviation, Honeywell, Lockheed Martin, Raytheon y Siemens Energy.

Desarrollo continuo en el campo de la selección de materiales.

Los materiales para la fabricación aditiva siguen siendo un área en la que las empresas están trabajando para seguir avanzando. Weitekamp dijo que PolySpectra desarrolló fotopolímeros avanzados para la fabricación aditiva para superar los problemas de durabilidad de los polímeros de uso común.

«La mayoría de los polímeros que se pueden imprimir en 3D no son lo suficientemente fuertes como para integrarse directamente en los componentes industriales de uso final», dijo.

Según explicó, algunos materiales se vuelven quebradizos cuando se calientan, mientras que otros son duros pero pierden su integridad mecánica una vez que se calientan. PolySpectra se formó para superar este desafío, utilizando un enfoque químico completamente nuevo basado en un catalizador que, según Weitekamp, ​​ganó el Premio Nobel en 2005.

Como resultado, COR Alpha es un polímero capaz de ser duro y caliente al mismo tiempo. Esto proporciona a una variedad de industrias un material que es lo suficientemente fuerte como para sobrevivir a temperaturas más altas y condiciones ambientales adversas para beneficiar a camiones y autopartes, equipos médicos, robótica y más.

“Si no puede cumplir con los mismos estándares de rendimiento o seguridad que los métodos existentes de moldeo por inyección o CNC, ni siquiera puede comenzar a hacer las cosas realmente interesantes que promete la fabricación aditiva”, dijo Weitekamp.

Aunque el material de PolySpectra es un polímero, o un plástico de alto rendimiento por naturaleza, dijo que sus propiedades podrían convertirlo en un reemplazo del metal, lo que podría beneficiar los planes de aligeramiento de los fabricantes porque el plástico es un material de menor densidad.

La fabricación aditiva de metal es un área en la que se está llevando a cabo una gran cantidad de I+D, y el gerente de desarrollo comercial, Jeff Grabowski, también dijo: QuesTek Innovaciones LLC , durante su presentación sobre las propiedades materiales de los componentes de potencia de fluidos en el evento NFPA Fluid Power Industry Consortium (FPIC) en marzo de 2022. QuesTek es un proveedor de tecnologías de Ingeniería Computacional Integrada de Materiales (ICME) que abordan los problemas que enfrenta actualmente la industria en el uso de metales para la fabricación aditiva.

Si bien se ha logrado un progreso técnico con respecto a la fabricación aditiva metálica, Grabowski dijo que todavía hay muchas preguntas técnicas por resolver con respecto a problemas mecánicos y metalúrgicos Dos de los mayores desafíos, y áreas en las que QuesTek está enfocando sus esfuerzos de investigación, son problemas con algunos materiales y procesos que no son adecuados para su uso en la fabricación aditiva.

“Por lo general, la investigación en aditivos metálicos toma composiciones [de materiales] heredadas que han existido durante más de 50 años y que estaban destinadas a grandes piezas fundidas con velocidades de enfriamiento lentas, o para piezas forjadas que se forjan y se tratan térmicamente”, dijo Grabowski.

Cuando se imprime en 3D, el uso de estas composiciones tradicionales puede provocar grietas o pérdida de resistencia. Las piezas de impresión 3D también requieren un tratamiento térmico completamente diferente, por lo que la mayoría de los proyectos de fabricación aditiva de QuesTek están buscando formas de optimizar el proceso de tratamiento térmico, dijo.

Grabowski dijo una y otra vez que QuesTek ha demostrado que, independientemente del tipo de metal, el tratamiento térmico adecuado de los materiales impresos por adición es fundamental para garantizar que se logre la resistencia deseada u otras propiedades.

QuesTek también está diseñando nuevas aleaciones adaptadas para la fabricación aditiva que pueden proporcionar las propiedades requeridas mientras utilizan velocidades de enfriamiento rápidas que no se pueden lograr mediante procesos de fundición de enfriamiento lento. La compañía también ha desarrollado una variante de acero inoxidable 17-4 de uso común que se puede imprimir en 3D y proporciona las propiedades de resistencia requeridas para muchas aplicaciones sin tener que lidiar con el material.

En el artículo » Cambios significativos en la fabricación aditiva . «

Desafíos de la industria aún por superar

Según Grabowski, el retorno de la inversión (ROI) es uno de los principales desafíos asociados con la fabricación aditiva de metal. El costo del polvo versus el costo de la barra y la impresión versus el costo del mecanizado son todos aspectos a considerar. Actualmente, la fabricación aditiva de metal es más costosa cuando se tienen en cuenta estos factores, dijo.

Tyrelli de Aidro está de acuerdo en que la fabricación aditiva puede ser más costosa que los procesos tradicionales, en parte porque todavía se considera una tecnología relativamente nueva. Además, señala que Aidro tiene menos proveedores de polvos metálicos para piezas fabricadas aditivamente que las barras metálicas tradicionales, lo que genera mayores costos.

La mentalidad de la industria es otro aspecto clave que debe desarrollarse, dijo Tirelli. La industria de la hidráulica y la maquinaria en general es bastante conservadora, por lo que incluso si se está produciendo una innovación, los actores de la industria deben estar abiertos a nuevos métodos de diseño, como la fabricación aditiva.“La fabricación aditiva requiere una forma de pensar completamente nueva en comparación con el pasado”, dijo, y cuando los ingenieros vean los beneficios y las oportunidades de la tecnología, se abrirán y comenzarán a usarla más.

Para ayudar a aumentar el conocimiento de la industria sobre la fabricación aditiva, el enfoque de Aidro es compartir lo que ha hecho y descubierto al usar la tecnología, dijo.

Si bien la fabricación aditiva puede ser más costosa en algunos aspectos, es posible que Weitekamp no sea tan costoso como podría parecer, porque no se tienen en cuenta todos los costos del proceso de producción. Si bien los fotopolímeros pueden ser más costosos que el polipropileno o los plásticos ABS, existen otros costos asociados con estos últimos, como los plásticos moldeados, que pueden tener altos costos de procesamiento. Explicó que si el diseño cambiara un poco, se podrían agregar más costos.

Superar las barreras psicológicas es importante, dijo Weitekamp. Las personas están acostumbradas a las tecnologías de fabricación que existen hoy y han existido durante décadas, lo que requiere un cambio de mentalidad y la evaluación de todos los costos potenciales del proceso de producción.

Otro desafío clave con la fabricación aditiva que señala Tirelli es la falta de conocimiento sobre cómo usarla. Cuando Aidro decidió invertir en la fabricación aditiva, dijo que la empresa había capacitado técnicamente a su gente y había contratado a personas con experiencia en fabricación aditiva de fuera de la industria hidráulica para ayudar a expandir su base de conocimiento interna.

Aprender a usar impresoras 3D y cómo usarlas para diseñar y fabricar componentes lleva tiempo, lo que puede ser un proceso disruptivo para las empresas. Pero las empresas deben estar preparadas para esto, ya que también hay muchos beneficios en el uso de la tecnología.

Al elegir usar la fabricación aditiva, Tirelli dijo que era importante encontrar el producto y la geometría correctos que ofrecieran la mayor oportunidad, ya que no se puede usar para reemplazar la producción de todas las piezas convencionales.»Necesitamos identificar las partes buenas;Estas son piezas con geometrías complejas que están experimentando problemas en la cadena de suministro o tienen requisitos específicos, como ser más livianas o más compactas”, dijo.»Si podemos identificar buenas piezas, entonces la fabricación aditiva será una tecnología exitosa».

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