Capa por capa

Las piezas de los motores a reacción deben 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 separadas de metal para lograr una forma que mezcle eficientemente combustible y 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 sobre un lecho de polvo de cromo cobalto, 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 dar lugar a una pieza más ligera, es decir, mejor. Las primeras piezas se destinarán a motores a reacción, afirma Prabhjot Singh, que dirige un laboratorio en GE que se centra en mejorar y aplicar este y otros procesos similares de impresión 3D. Pero, añade, "no hay día en que no tengamos noticias de alguna de las otras divisiones de GE interesadas en utilizar esta tecnología".

Estas innovaciones están a la vanguardia de un cambio radical en la tecnología de fabricación que resulta especialmente atractiva en aplicaciones avanzadas como la aeroespacial y los automóviles. Las técnicas de impresión 3D no sólo harán más eficiente la producción de piezas existentes. También permitirán 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 prácticamente no deja residuos, una consideración enorme con metales caros como el titanio. La tecnología también podría reducir la necesidad de almacenar piezas en 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 cuestión de días.

La fabricación aditiva, como también se conoce a la impresión 3D, surgió a mediados de la década de 1980 después de que Charles Hull inventara lo que llamó estereolitografía, en la que la capa superior de un charco de resina se endurece mediante un láser ultravioleta. Varios métodos de impresión 3D se han vuelto populares entre los ingenieros que desean crear prototipos de nuevos diseños o fabricar algunas piezas altamente personalizadas: pueden hacer un plano 3D de una pieza en un programa de diseño asistido por computadora y luego obtener una 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 sólo a un conjunto limitado de materiales y ha habido dudas sobre el control de calidad. Construir piezas de esta manera también ha sido lento: puede llevar un día o más hacer lo que la fabricación tradicional puede lograr en minutos u horas. Por estas razones, 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 permitir la producción en nichos de mercado como el de los dispositivos médicos. Y está a punto de entrar en varias aplicaciones más importantes en los próximos años. "Hemos llegado al punto en el que se están produciendo suficientes avances críticos para que la tecnología sea realmente útil en la fabricación de piezas de uso final", afirma Tim Gornet, que dirige el Centro de creación rápida de prototipos de la Universidad de Louisville.

AVANCES

Se pueden utilizar varias técnicas para "imprimir" un objeto sólido capa por capa. En la sinterización, una fina capa de metal en polvo o termoplástico se expone a un láser o haz de electrones que fusiona el material en un sólido en áreas designadas; luego se aplica una nueva capa de polvo encima y se repite el proceso. Las piezas también se pueden construir con plástico o metal calentado 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 encima, y ​​así sucesivamente. En otro método de impresión 3D, se utiliza pegamento para unir los polvos.

Las empresas aeroespaciales están a la vanguardia en la adopción de esta 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. Alrededor de 20.000 piezas fabricadas mediante sinterización láser ya vuelan en aviones militares y comerciales fabricados por Boeing, incluidos 32 componentes diferentes para sus aviones 787 Dreamliner, según Terry Wohlers, un consultor de fabricación especializado en procesos aditivos. Estos no son artículos que deban producirse en masa; Boeing podría fabricar unos cientos de ellos durante todo el año. Tampoco son críticos para el vuelo; Entre ellos se encuentran los conductos de aire de elaboradas formas necesarios para la refrigeración, que hasta ahora debían fabricarse en varias piezas. "Ahora podemos optimizar el diseño de estas piezas en función del peso y ahorramos material y mano de obra", afirma 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 3D podrían impedir que se produzca la mayoría de las piezas de Boeing, afirma Vander Wel, es probable que el método se utilice en una proporción cada vez mayor de ellas.

El principal rival de Boeing, la Compañía Europea de Defensa Aeronáutica y del Espacio (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, que dirige la investigación sobre impresión 3D en Innovation Works de EADS. división en Inglaterra.

La división de motores a reacción de GE puede estar más cerca que nadie de llevar piezas impresas en 3D a la 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 unidas al borde delantero de las aspas del ventilador. Estas tiras desvían los desechos 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 ha perdido el 50 por ciento del titanio. Al cambiar a la impresión 3D, la empresa ahorrará alrededor de 25.000 dólares en mano de obra y material en cada motor, estima Todd Rockstroh, el ingeniero consultor de GE que dirige el esfuerzo. El borde de la pala y el inyector de combustible comenzarán a aparecer en los motores a partir de 2013, y se integrarán en series de producción a gran escala por miles alrededor de 2016.

Mientras tanto, afirma Rockstroh, la empresa espera ganar flexibilidad en el diseño utilizando la impresión 3D para más piezas. Cuando recientemente descubrió que un vástago del inyector de combustible estaba sujeto a niveles excesivos de estrés por calor, en una semana salió de la impresora una versión rediseñada. "Antes, habríamos tenido que rediseñar 20 piezas diferentes, con todas las herramientas asociadas", dice Rockstroh. "Quizás ni siquiera hubiera sido posible". Y el uso de la impresión 3D 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 lleva a GE a buscar formas de imprimir de todo, desde carcasas de cajas de cambios hasta mecanismos de control. "El año que viene emprenderemos una importante búsqueda del tesoro para reducir el peso", dice Rockstroh.

Los automóviles también podrían beneficiarse de piezas más ligeras, y Gornet, de la Universidad de Louisville, señala que los procesos de impresión podrían reducir el peso de 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 3D para piezas con tiradas de producción de cientos.

RETOS A SUPERAR

Si no fuera por las limitaciones de la tecnología, la impresión 3D ya se utilizaría mucho más ampliamente. "Las velocidades son atrozmente lentas en este momento", dice Singh de GE. Todd Grimm, que dirige una consultoría de fabricación aditiva en Edgewood, Kentucky, estima que el tiempo necesario para producir una pieza tendrá que mejorar hasta cien veces si la impresión 3D quiere 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, sólo un puñado de compuestos de plástico y metal se pueden utilizar en la impresión 3D. En la sinterización por láser, por ejemplo, el material debe poder formar un polvo que se derrita perfectamente cuando se golpee con un láser y luego se solidifique rápidamente. Los compuestos que cumplen con los criterios necesarios pueden costar entre 50 y 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 sólo están disponibles a través de pequeños proveedores especializados.

Sin embargo, a medida que aumenta la demanda con nuevas aplicaciones, la competencia de los proveedores debería hacer bajar los precios drásticamente. Y la lista de materiales disponibles se va ampliando poco a poco. 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 (incluyendo la temperatura, la elección del material, la forma de la pieza y el tiempo de enfriamiento) afectan los resultados. Esto puede resultar frustrante, dice Singh: “La impresión 3D a menudo termina siendo un arte negro. Una pieza está hecha de 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 manera impredecible, de modo que algunas partes terminan distorsionadas. La porosidad también puede variar dentro de las piezas, lo que genera preocupaciones sobre fatiga o fragilidad. Esto podría ser un gran problema en los motores de los aviones o en 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? No estamos seguros todavía”.

Incluso con estos desafíos, el tiempo juega a favor de la impresión 3D, afirma Vander Wel, y no sólo porque los procesos estén mejorando. Es comprensible que los ingenieros se muestren reacios a adoptar una nueva tecnología para piezas críticas cuando sus plazos y su reputación, por no hablar de las vidas de las personas en los aviones, están en juego. "Pero los diseñadores más jóvenes se están adaptando más rápidamente", afirma. “No se apresuran a decir: 'No se puede construir de esta manera'”.

David H. Freedman, periodista científico radicado en Boston, escribió sobre optogenética en la edición de noviembre/diciembre de 2010 de TR. Su último libro es Incorrecto: por qué los expertos siguen fallándonos.

Esta historia fue parte de nuestra edición de enero/febrero de 2012.

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