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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.

Si simplemente coloca un implante ortopédico en un ser humano sin considerar la flexibilidad del hueso de reemplazo, entonces corre el riesgo de lo que se conoce como “protección contra el estrés”.

Esto se debe a un fenómeno llamado “Ley de Wolff”, en el que el hueso natural se vuelve menos denso debido a las variaciones de tensión del implante. El hueso circundante se adapta al estrés y remodela su mesoestructura mediante un proceso de reabsorción ósea . El desajuste entre las densidades y flexibilidades del material puede resultar en áreas de crecimiento densas del hueso y puede resultar en dolor para el paciente y, finalmente, en el rechazo y extracción del implante.

Por lo tanto, es importante asegurarse de que el implante de reemplazo coincida con la flexibilidad del hueso que se reemplaza. Los implantes portadores de carga deben ser compatibles.

Un método para hacer esto es mediante el uso de optimización de topología y fabricación aditiva, donde las estructuras trabeculares del hueso se pueden replicar (hasta cierto punto). Básicamente, es mejor que un hueso de titanio sólido. Las vigas trabeculares en el implante permiten una cierta cantidad de flexión, sin dejar de ser livianas y cómodas para el implantado.

La siguiente imagen muestra la diferencia en la pérdida ósea entre un implante femoral de titanio sólido y uno de titanio impreso en 3D completamente poroso.

Otro punto que vale la pena señalar es que las estructuras sólidas tienen dificultades con la osteointegración. Una estructura porosa permite que el hueso se una mejor al implante.

Con todo, las estructuras metálicas impresas porosas tienen mucho que ofrecer al mundo de la prótesis.

Echemos un vistazo al comportamiento de algunas de estas estructuras bajo carga, y cómo los ingenieros están haciendo materiales sólidos e inflexibles como el titanio… ¡flexibles!

La siguiente imagen muestra un gráfico de Von Mises de una estructura de celosía impresa en 3D sometida a compresión.

Si se tratara de un trozo sólido de titanio, no habría flexibilidad. Tome ese trozo de titanio y enróllelo en un alambre delgado, y es flexible.

Esto es efectivamente lo que estamos viendo en la imagen de arriba. Los miembros individuales de la celosía tienen suficiente flexibilidad para desviarse bajo carga, mientras permanecen dentro de los no deformados. Las vigas se vuelven a doblar en su lugar cuando se quita la carga, como cualquier otro material Hookean.

Cuando apila estas vigas, como en la celosía, entonces la deflexión total es básicamente la deflexión acumulativa de los miembros individuales. Una capa se desvía y la fuerza restante se envía a la capa inferior, que se desvía, y así sucesivamente …

Al investigar los parámetros de tensión y desplazamiento a diferentes valores de compresión, los campos de tensión y desplazamiento se pueden combinar matemáticamente en una función.

Una vez que se determina esa función, los ingenieros pueden ajustar la estructura computacionalmente (con optimización de topología o diseño generativo) para proporcionar un conjunto personalizado de salidas para un lote específico de entradas, perfectamente adaptado a las necesidades del paciente.

Como puede ver en la imagen de arriba, los parámetros de interés en este caso son el objetivo de desplazamiento, la fuerza máxima / mínima y la cantidad de material removido requerido.

El resultado final es una mesoestructura personalizada que puede flexionarse y desviarse de acuerdo con los requisitos del diseñador, y un paciente de implante feliz que ahora puede caminar cómodamente sin preocuparse de necesitar que le cambien el fémur o el hueso de la cadera nuevamente en otros 5 o 10 años.

En julio de 2020, la CNSA (Agencia Espacial Nacional China) lanzó su nave espacial Marte sobre un cohete Long March 5. La misión, conocida como Tianwen-1, comprende tres segmentos, un orbitador, un módulo de aterrizaje y un rover, todos con un peso de más de 5000 kg.

El propio cohete contenía 50 componentes de plástico impresos en 3D, todos impresos por la empresa AM Farsoon en su sistema de sinterización de polímero HT1001P de Farsoon.

El polímero en cuestión es el propio polvo de nailon fs3300pa de Farsoon, y se utilizó para producir el faldón de disparo estático de 5 metros de diámetro, en 50 partes separadas. Cada pieza medía 370 x 100 x 125 mm y se sometió a un procesamiento posterior para que las piezas fueran impermeables y resistentes a la niebla salina.

También tiene la densidad aparente más baja y la densidad de pieza más baja (después de la sinterización) de la línea de polímeros de la compañía, lo que probablemente sea otra razón por la que lo seleccionaron para el cohete.

El montaje completo tardó solo 48 horas en imprimirse. Por lo general, estos faldones de disparo estáticos se fabrican con aluminio, por lo que es una apuesta segura que también pueden ahorrar algo de tiempo en comparación con los métodos de mecanizado tradicionales.

Entonces, ¿qué hace la falda de disparo estático?

Un cohete de varias etapas como el Long March 5 llega a la órbita disparando combustible explosivo desde los tanques de la primera etapa, a través del motor. Cuando esa etapa está vacía de combustible y ha alcanzado su velocidad máxima, arroja masa arrojando el tanque y los motores de la primera etapa, y la segunda etapa se enciende, aumentando la velocidad impartida en la etapa anterior. Y así sucesivamente, dependiendo de cuántas etapas haya. Esto ayuda a mantener baja la masa en el cohete. Sin este enfoque de múltiples etapas, sería simplemente imposible elevar tanta masa al espacio. Los tanques de combustible vacíos se convierten en peso muerto una vez que están vacíos, por lo que se desechan.

Uniendo las etapas hay varios mecanismos y estructuras, asegurando que todas las etapas permanezcan intactas hasta que se requiera desecharlas … y que se desechen cuando se lo ordenen.

El faldón de disparo estático proporciona un medio estructural temporal entre el escenario y el anillo de soporte de popa para proteger el dispositivo de desbloqueo entre los escenarios. Tiene forma cilíndrica y está equipado con puntos de elevación internos y externos, lo que facilita el manejo del escenario.

Entonces eso es lo que es. No es una estructura de carga, por lo que en este caso, un polímero fuerte es un digno sustituto del aluminio.

Irónicamente, creemos que sabemos lo que sucedió con la primera etapa después de haber realizado su tarea.

Se lavó en una playa a unas 500 millas de la casa de este escritor hace unas semanas.

CNSA no ha confirmado que se trate de un fragmento del cohete, pero dado el marco temporal del descubrimiento y la trayectoria, es muy probable que el 5 de marzo largo que izó Tianwen-1 haya tenido parte de la tierra de escombros en Filipinas. .

Las materias primas de filamentos de plástico pueden ser un dolor de cabeza por diversas razones.

Dependiendo del filamento, es posible que deba cambiar la extrusora o el sistema de alimentación. Y no comencemos con el precio de algunos de los filamentos más técnicos, algunos de ellos cuestan varios cientos de euroes el kilogramo. ¿Seguramente el polímero base no puede ser tan caro? No, no lo son.

¿No sería fantástico si pudiera comprar el mismo polímero base en forma granular, tirarlo a una impresora y hacer exactamente el mismo trabajo, sin el intermediario? ¿Guay, verdad?

El fabricante de impresoras sueco BLB Industries claramente tiene la misma idea, y por eso lo ha abordado con su gama de impresoras de polímeros granulares. Y también son GRANDES impresoras.

BLB Industries ofrece varias variaciones de sus impresoras, cada una llamada «The Box», con algunos subtítulos que explican el tamaño de la máquina.

The Box pequeña, The Box mediana, The Box grande y, por supuesto, The Box personalizada están en oferta.

¿Quién dijo que los ingenieros no podían nombrar productos de forma creativa? Somos pragmáticos, ¿de acuerdo?

¿Como funciona?

Todas las cajas utilizan el método de impresión FGF (Fused Granular Fabrication), con gránulos estándar de la industria. Estos gránulos listos para usar reducen los costos de material y permiten una elección mucho más amplia de materiales. Probablemente pueda adivinar por el nombre cómo funciona. Pones los gránulos, ocurre algo de magia y se deposita una pista de polímero fundido desde la boquilla del extrusor. Es el mismo principio (reológicamente hablando) que la deposición de filamentos.

Sin embargo, ¿cuál es la parte mágica? Eche un vistazo al gráfico a continuación.

Parece el fin comercial de un sistema de moldeo por inyección, ¿verdad? Excepto que se ha girado 90 grados verticalmente.

Puede ver que los gránulos se introducen en la tolva (1), donde se introducen por gravedad en el cilindro calentado (3). El tornillo de extrusión (2) mide los gránulos a medida que pasan a través de los calentadores, y los gránulos se licúan a medida que se acercan a la boquilla (4), donde finalmente se extruyen como la pista moldeada sobre el lecho calentado (5). El elemento (6) muestra la pieza en sí. Y de manera similar a los métodos de filamentos, se requieren estructuras de soporte para los voladizos. Sencillo.

Las Impresoras

Echemos un vistazo a algunas de las estadísticas y capacidades de la máquina. A continuación se muestra la caja (pequeña).

No dejes que el nombre te engañe. Esta no es una impresora pequeña. Simplemente se llama así porque es el más pequeño de la gama BLB. De hecho, tiene un volumen de construcción de 1500 x 1000 x 1000 mm y, dependiendo de la boquilla elegida, puede extruir hasta 14 kg de material por hora, con un tamaño de pieza máximo de 250 kg. Hablando de boquillas, la boquilla pequeña permite extrusiones de 1-2 mm de diámetro, y las boquillas «medianas» vienen en variedades de 2-8 mm. Por eso puede escupir 14 kg por hora.

La versión grande de Box tiene un volumen de construcción de 2000 x 2000 x 1500 mm y tiene opciones de boquillas de hasta 14 mm. ¡Tan ancho como tu pulgar! Esto permite tasas de deposición masiva de hasta 30 kg / hora para piezas de hasta 1000 kg de masa. ¡Uf!

¿Tienes GROT?

Por supuesto, no tener que perder el tiempo con la extrusora o el sistema de alimentación significa que estos sistemas son bastante versátiles en términos de materia prima granular.

Los sistemas BLB pueden aceptar una amplia gama de materias primas, incluidos ABS, TPU y, por supuesto, ese delicioso Grot.

¿Esperar lo?

Grot, es un biomaterial elaborado a partir de residuos forestales (trozos de ramas y copas de árboles). Viene del sueco Grenar Och Toppar, o GROT para abreviar. Puedes ver cómo se ve a continuación. En una nota personal, este escritor tiene curiosidad por ver cómo se imprime GROT y cómo se ve (y huele) la parte final. Los gránulos se ven extrañamente deliciosos. Sin embargo, no te recomendamos que los comas.

Además del GROT, hay un montón de otros materiales aprobados disponibles para las máquinas The Box, y también algunos gránulos especiales con aditivos. Puedes ver la lista aquí .

Así que ahí está. Una selección de impresoras XL 3D, con una amplia gama de polímeros para realizar pruebas en forma de gránulos.

La impresión 3D de metal se está convirtiendo en un mercado lleno de opciones. Ahora existen soluciones de AM de metal en una variedad de precios, y máquinas híbridas que pueden agregar y quitar metal a los objetos existentes para repararlos o mejorarlos.

Cada vez es más difícil para las empresas de AM de metal diferenciarse realmente entre todas las ofertas, pero Holo lo ha hecho. Su tecnología patentada PureForm puede producir piezas con detalles increíblemente finos a un costo difícil de superar.

Acerca de la tecnología PureForm

La tecnología PureForm es un proceso de impresión de metal indirecto a base de resina en el que el polvo metálico se mezcla con la resina fotosensible. Esa lechada se cura una capa a la vez con una fuente de luz de manera similar a otras impresoras de resina. La impresión completa está en un estado «verde» ya que la resina de fotopolímero que actúa como agente aglutinante todavía se mezcla con las partículas metálicas. Un proceso de desaglomeración elimina el polímero y lleva la pieza a un estado «marrón». Un proceso de sinterización en un horno solidifica el objeto en una parte completamente densa que es 99,99% pura, de ahí el nombre. Quizás recuerde el proceso de desaglomerado y sinterizado de nuestra revisión de BASF Ultrafuse 316L , que debe pasar por el mismo posprocesamiento después de la impresión. Por supuesto, la impresión en cubeta líquida alcanza resoluciones mucho más altas que la impresión FDM.

Es por eso que las partes Holo pueden tener características y espacios tan pequeños como 150 micrones, o aproximadamente el ancho de un mechón de cabello. Es ese nivel de detalle combinado con la libertad geométrica que permite la impresión 3D lo que les ha hecho centrarse en la producción de piezas de refrigeración semiconductoras.
Holo puede producir características de enfriamiento como micro-celosías y tubos de calor en bucle que otros simplemente no pueden. Y esa es una buena forma de diferenciarse.

El cofundador de Holo, Arian Aghababaie, PhD, tuvo la amabilidad de hacerme una entrevista remota para contarme más sobre la empresa y la tecnología. Las preguntas y respuestas se editaron a la ligera para mayor claridad y brevedad.

CN: ¿Qué te hizo empezar por este camino? ¿Por qué empezaste con Holo?

AA: Creamos Holo para reducir las barreras de adopción y lograr la verdadera promesa de la fabricación aditiva. A lo largo de nuestro tiempo en Autodesk y con Ember, nos dimos cuenta de que necesitábamos desarrollar una tecnología AM de alta resolución y bajo costo que pudiera escalar al volumen de fabricación. También descubrimos que los clientes querían piezas, no para poseer u operar impresoras. Podemos brindar acceso a tecnología que antes no era posible; Aprovechando nuestra propia tecnología [estamos] diseñando y produciendo piezas que no estaban disponibles de otra forma.

CN: ¿Puede explicar brevemente qué diferencia a la tecnología PureForm de Holo de otros procesos de metal AM?

AA: Holo PureForm es una plataforma de impresión de metal de alta velocidad que forma una capa completa en segundos con un solo pulso de luz. Aprovechando la tecnología de imágenes HD, se exponen 8 millones de píxeles en un flash. Combinado con un backend de sinterización de moldeo por inyección de metal (MIM), PureForm es la plataforma AM escalable de menor costo, resolución más alta para producción en volumen. Compatible con muchos materiales difíciles de imprimir, Holo utiliza PureForm para imprimir cobre puro.

Aprovechamos nuestra experiencia en diseño para fabricación aditiva (DfAM), nuestra impresión de bajo costo y backend escalable para diseñar y producir piezas de producción de alto rendimiento en volumen.

CN: Veo que una de sus verticales son las soluciones de refrigeración. ¿Podría dar un ejemplo de una de sus soluciones de refrigeración y describir algunos de los beneficios?

AA: Holo está creando diseños únicos para la refrigeración líquida de dispositivos semiconductores de alta potencia. Estas piezas DfAM fabricadas en cobre puro de Holo duplican el coeficiente de transferencia de calor en comparación con los dispositivos diseñados y fabricados tradicionalmente. Lo hacen eliminando el calor de los procesadores de una manera incomparable con cualquier otra técnica de enfriamiento directo [con limitaciones geométricas tradicionales].

CN: ¿En qué otros mercados planea ingresar?

AA: El cobre es el primer material que utilizamos para permitir aplicaciones de conductividad térmica y eléctrica. Esto nos tiene enfocados en el enfriamiento de semiconductores, que es un mercado de € 4 mil millones de euroes. Los objetivos iniciales son procesadores de gama alta e inversores de alta potencia para vehículos eléctricos. Las piezas complejas de cobre en motores eléctricos también son un área interesante. A medida que Holo lance nuevos materiales, aprovecharemos estos materiales en los mismos mercados, así como en verticales adicionales.