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Hace un par de meses echamos un vistazo a una gama de materiales de impresión 3D con varias propiedades eléctricas y térmicas.

Los artículos se centraron en el uso de materias primas conductivas y de fabricación aditiva disipadoras de estática para una variedad de tecnologías de impresión 3D diferentes (pero principalmente filamentos). Resulta que es bastante fácil agregar un montón de fibra de carbono picada a un filamento y cambiar la conductividad del material.

Como recordatorio, los materiales conductores tienen baja resistencia eléctrica, por lo que la carga fluye rápidamente de un conductor a otro. Con materiales disipadores de estática, la resistencia es mayor y la carga fluye más lentamente, reduciendo el impacto de las descargas en materiales sensibles.

Uno de los artículos de la serie corta se centró en los materiales ESD (disipadores electrostáticos), que controlan la velocidad a la que se libera la carga del material.

Esto es especialmente útil para el diseño y fabricación de componentes electrónicos sensibles que pueden ser destruidos por descargas electrostáticas no mitigadas.

Bueno, solo un mes después de que publicamos esos artículos, ALM ha anunciado una nueva materia prima de polímero en el mercado que logra la resistividad superficial deseada sin usar aditivos de fibra de carbono (como nuestros ejemplos anteriores), y en su lugar usa grafito para modificar la conductividad.

La materia prima se llama PA 830-ESD12, y como probablemente pueda adivinar por ese nombre en clave, es una poliamida (nailon-11) y es segura para ESD.
Es un polvo sinterizado, por lo que todos los usuarios de SLS de plástico ahora tienen una opción más si desean imprimir con materiales a prueba de ESD. Como se mencionó, hasta hace poco, la mayoría de las opciones para materiales ESD impresos en 3D estaban en forma de filamentos.

El material ha sido desarrollado entre Advanced Laser Materials y RPS , que se han asociado entre sí para el desarrollo de nuevos materiales para plataformas SLS desde 2010.

“Muchos de nuestros clientes han estado buscando un material SLS que brinde la calidad y seguridad necesarias para aplicaciones de descarga electrostática”, dijo Donald Vanelli, presidente de ALM.

«Hemos creado un material que permite una rápida escalabilidad, al tiempo que garantiza que las piezas se completen con un acabado perfecto y sean fáciles de mecanizar».

Puede ver un primer plano del acabado a continuación.

El polímero viene en negro (con copos de plata), tiene una resistencia a la tracción de 29 MPa, una densidad aparente de 0,49 g / cc y una densidad sinterizada de 1,1 g / cc, lo que lo hace comparable a un nailon estándar en términos de resistencia y peso.

Tiene una resistividad superficial de entre 2,4 x 10 ^ 3 Ω y 3,3 x 10 ^ 4 Ω cuadrados, lo que lo hace bastante conductivo y disipativo.

Los fabricantes de polvo tienen mucha experiencia en plásticos sinterizados de alto rendimiento, ya que ALM desarrolló el material de nailon relleno de fibra de carbono PA 603-CF similar para su uso en la Fórmula 1.

Apuntan este nuevo producto a quienes diseñan accesorios de ensamblaje en la industria de semiconductores, diseñadores de productos electrónicos y aplicaciones generales que requieren capacidades ESD.

Este nuevo material es compatible con todos los principales sistemas de impresión de plástico SLS, como los de 3D Systems , Farsoon, DTM y Prodways, y puede consultar la hoja de datos del material aquí mismo , si desea obtener más información sobre las otras propiedades del material. .

Hay innumerables ejemplos de impresoras 3D capaces de imprimir uno o dos polímeros. Pero, ¿y si desea imprimir algo más que termoplásticos? ¿Qué tal una impresora 3D que puede imprimir materiales completamente diferentes como metales, polímeros y cerámica de una sola vez?

Puede combinar los elementos resistentes al calor de una cerámica mientras su pieza es conductora de la electricidad de la misma impresión. Suena como algo muy útil. Probablemente haya un ejemplo de eso en alguna parte.

Inyección de materiales múltiples

Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos ( IKTS ) en Alemania ha desarrollado un sistema llamado Multi Material Jetting que puede imprimir múltiples materiales a través de un chorro de material súper preciso.

Primero, se hace una lechada con las partículas de metal / cerámica mezcladas con la base termoplástica. Las lechadas separadas se cargan en sistemas de microdosificación (MDS), cada uno de los cuales calienta la lechada hasta 100 grados centígrados, antes de microdosificar el chorro de material fluídico sobre la cama de impresión y formar un modelo 3D. A continuación, la parte verde acabada se saca y se sinteriza en un horno.

El MDS deposita tamaños de gotas de entre 300 y 1000 μm a velocidades de hasta 1000 gotas por segundo. Puede imprimir capas de alturas entre 100 y 200 μm. El tamaño máximo de piezas que se pueden fabricar actualmente es de 200 × 200 × 180 milímetros.

“En este momento, podemos procesar hasta cuatro materiales diferentes a la vez”, dice Uwe Scheithauer, investigador de Fraunhofer IKTS.

“El factor crítico aquí es la dosificación personalizada de las lechadas de metal o cerámica. Obtener la dosificación correcta es clave para garantizar que el producto final fabricado aditivamente adquiera las propiedades y funciones requeridas durante la sinterización posterior en el horno, incluidas propiedades como resistencia, conductividad térmica y conductividad eléctrica ”.

Un ejemplo de un componente que podría beneficiarse de las propiedades de los materiales mixtos es la cámara de combustión de un motor de satélite (u otra nave espacial).

Las cámaras de combustión se calientan mucho y, en el caso de los combustibles no hipergólicos, requieren una fuente de ignición. Cualquier sistema en una nave espacial agrega masa, por lo que cualquier oportunidad de eliminar o integrar aún más un sistema, puede potencialmente reducir la masa.

Colocando cuidadosamente las trayectorias eléctricamente conductoras de la pista de lechada dentro de la pieza cerámica, es posible producir una pieza acabada de una sola impresión que sea conductora (para el sistema de encendido) pero resistente al calor (para la pieza explosiva).

Y, por supuesto, la cerámica de ingeniería no solo se usa en el espacio.

Ofrecen una alta resistencia a las altas temperaturas, la abrasión y la corrosión, por lo que han encontrado utilidad en los dominios de la ingeniería mecánica, química, ingeniería energética y microelectrónica.

«También podríamos usarlo para hacer espacios en blanco para piezas de carburo, por ejemplo», dijo Scheithauer.

“Gracias a la tremenda precisión de los sistemas de dosificación, los contornos de los espacios en blanco ya estarían muy cerca de los del producto final. Por lo tanto, requerirían muy poco triturado posterior en comparación con los métodos convencionales. Esa es una gran ventaja cuando se trabaja con carburo «.

Hemos visto varias innovaciones de ciclismo relacionadas con la impresión 3D en los últimos años, como la impresión de marcos y cascos para aumentar la rigidez y reducir el peso. Ahora se ha establecido un récord mundial Guinness de bicicleta con la ayuda de AM: el prototipo de bicicleta eléctrica más ligero del mundo . El Freicycle pesa solo 6,87 kg y tiene un potente motor de 600 vatios.

Freicycle es una creación del ingeniero mecánico alemán Dr. Dennis Freiburg. Comenzó el proyecto hace varios años como corredor de escalada, reduciendo el peso al construir el cuadro con fibra de carbono. Más tarde, redujo aún más la masa cambiando la manivela y las llantas por fibra de carbono. Pero eso no fue suficiente. Freiburg probó y rompió varios pedales impresos en 3D antes de obtener el diseño correcto, diciendo «Siempre hay algo que se puede mejorar». Después de darse cuenta de que los pedales impresos eran más ligeros que cualquier otro que pudiera comprar, miró cada pieza de metal para ver si podía imprimirse en 3D. Las pinzas de freno fueron otro componente que también se terminó imprimiendo.

Hacer una bicicleta eléctrica generalmente agrega bastante peso porque los motores y las baterías son voluminosos y muy densos. Eso es especialmente cierto en el caso de los motores de cubo más populares, por lo que Freiburg optó por la tecnología de motor de accionamiento por fricción, mucho más antigua pero aún efectiva. Al montar un pequeño motor diseñado para helicópteros RC en la parte delantera de la rueda trasera, ese motor puede presionarse contra la rueda (fricción) para obtener potencia. En cuanto a las baterías, los requisitos para calificar para el récord establecen que la bicicleta debe estar equipada con un mínimo de 137 Wh de jugo; Freiburg colocó esa cantidad exacta de baterías en una botella de agua liviana y la adjuntó al marco con un portabotellas impreso en 3D. Para colmo, diseñó e imprimió una tapa para la botella que también sirve como interruptor de encendido y apagado / nivel de asistencia al pedal.

Aunque el Freicycle solo tiene una potencia de rango medio a 600 vatios, debido a que es tan liviano, puede alcanzar fácilmente velocidades de 48 km / h (30 mph) y viajar hasta 35 km (22 millas). Eso es el doble de la velocidad del límite de la UE para bicicletas eléctricas, por lo que está limitado electrónicamente cuando se encuentra en áreas públicas. Sorprendentemente, la bicicleta apenas cumple con el requisito de peso mínimo de 6,8 kg establecido por la organización de la UCI para calificar para eventos de carreras internacionales. La impresión 3D es tan ventajosa que puede hacer que las bicicletas sean demasiado livianas para calificar para las carreras. Los transeúntes están igualmente impresionados con la bicicleta, dice Freiburg, “en general, la gente no puede creer que sea una bicicleta eléctrica. Lo siguen levantando y diciendo locura lo ligero que es «.

Imágenes cortesía de Freicycle

El gigante de la defensa Honeywell ha anunciado recientemente que su carcasa de cojinete impresa en 3D ha sido aprobada para su uso en el avión de patrulla marítima Dassault Falcon 20G.

Por fin, un componente metálico impreso en 3D ha recibido esa certificación de la FAA ultrapreciada que permitirá que dicho componente se utilice en un sistema de vuelo crítico.

Este es un desarrollo súper emocionante y uno que justifica romper el champán.

Crítico ¿Qué?

Primero, definamos qué es un componente crítico.

Según el sitio web de la FAA, las partes críticas son:

«Aquellas piezas que dependen del cumplimiento de los requisitos de integridad prescritos para evitar su falla principal, que probablemente resulte en un efecto peligroso del motor».

En otras palabras, si se rompe, todo el motor falla y podría caerse del cielo.

Esta definición se aplica a los ejes de la turbina / compresor, los componentes de la caja de engranajes, las aspas del ventilador (¿alguna vez ha visto una paleta perforar una carcasa? Existe suficiente fuerza equivalente actuando en la punta de una paleta como en un autobús de dos pisos) y otras partes puede resultar en una falla catastrófica.

A menudo, estos componentes tienen redundancia cero y se consideran posibles fallas de un solo punto. Es por eso que deben probarse, probarse, probarse y probarse un poco más, lo que a menudo cuesta millones de euroes en costos de desarrollo y certificación.

Cuando fallan las piezas críticas … las cosas van muy mal.

Como resultado, no deben ser de un diseño a prueba de fallas … sino de un diseño de vida segura, lo que significa que debe haber una posibilidad cercana a cero de falla durante la vida útil prescrita del componente. Una vez transcurrida esa vida útil, la pieza simplemente se reemplaza. No es necesario ningún tipo de mantenimiento durante la vida útil de la pieza. Debe ser altamente confiable, lo más cercano al 100% de confiabilidad, más o menos algunos lugares decimales.

Alojamiento de cojinetes

Una de esas partes es la carcasa del cojinete, que asienta el cojinete que sostiene el eje principal en un motor de turbina, como el que se encuentra en el Dassault Falcon 20G.

La carcasa del cojinete reside en el motor turbofan Garrett ATF3, que es un motor turbofan de 3 carretes diseñado por Garrett AiResearch y Honeywell Aerospace.

Cada carrete requiere dos cojinetes de eje principal, uno de bolas y el otro de rodillos. Los cojinetes fabricados con aditivos son los cojinetes # 4-5.

Lamentablemente, Honeywell no ha publicado ninguna imagen clara del componente impreso en 3D, lo que no es realmente sorprendente dado el costo probable de desarrollo. Puede ver un corte del motor a continuación. Los cojinetes están ubicados en varias posiciones del eje / carretes.

Impresión de una carcasa de cojinete

Entonces, ¿por qué imprimir una carcasa de cojinete?

En este caso, los beneficios son dobles.

El motor ATF3 es bastante antiguo. Ha existido desde la década de 1960, por lo que existen problemas en la cadena de suministro con algunos de estos componentes anticuados.

“Aunque no hay muchos en servicio, Honeywell es responsable de brindar soporte y mantenimiento a estos motores. Tuvimos que encontrar una manera de abordar estos problemas de la cadena de suministro y mantener estos aviones volando ”, dijo Jon Hobgood, vicepresidente de ingeniería de fabricación de Honeywell Aerospace.
“Pudimos utilizar nuestra experiencia en fabricación aditiva para producir la pieza calificada mucho más rápido, reduciendo nuestro tiempo de entrega de aproximadamente dos años a dos semanas”.

Y ahí radica el segundo beneficio. Una reducción del tiempo de entrega de 2 años a solo 2 semanas es bastante fenomenal.

Entonces la pieza está certificada … ¿qué sigue?

Ya se ha instalado en un avión y Honeywell planea imprimir docenas de ellos para fin de año.

Después de eso, ¿quién sabe qué sigue? Ejes principales impresos en 3D? ¿Palas de compresor? Puede que sean todavía un tiempo, ya que hay cantidades fenomenales de torque y torsión actuando sobre estas partes.

Y las palas del compresor / turbina tienden a fabricarse a partir de estructuras monocristalinas para reducir la posibilidad de propagación de grietas en la pieza. Muy caro, consume mucho tiempo. ¿Y potencialmente el Santo Grial de la fabricación aditiva de aviación? Podría ser.

Pero, el gato ciertamente está fuera de la bolsa ahora con respecto a las partes críticas de AM. No hay vuelta atrás.

Y definitivamente le brindaremos actualizaciones cuando se fabrique el próximo componente crítico, cualquiera que sea.