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La fabricación aditiva de metal avanzada permite que las microturbinas sean 40 veces más eficientes

Publicado el septiembre 3, 2020 por Alicia M.

Históricamente, una microturbina ha sido una versión simplificada de una turbina de gas, adecuada para una variedad de aplicaciones: se utilizan en vehículos aéreos no tripulados (UAV), para cargar las baterías que impulsan motores, como extensores de alcance, o en UAV híbridos que alternan entre baterías y motores. En los EE. UU., Sierra Turbines ha estado rompiendo las reglas de la fabricación convencional para mejorar el rendimiento de las microturbinas. Roger Smith, director ejecutivo, explica que la empresa planea crear con fabricación aditiva al menos el 95% de sus componentes de microturbinas, incluso cuando la empresa alcance la producción a gran escala. Para hacerlo, la compañía decidió colaborar con VELO3D, confiando en su tecnología patentada de fabricación aditiva de metal sin soporte. Su objetivo es hacer que sus turbinas sean 40 veces más eficientes al proporcionar 10 veces más densidad de potencia y reducir el peso en un 50% en comparación con las microturbinas tradicionales.

Las tecnologías de fabricación aditiva no sustituirán a los métodos de fabricación tradicionales, pero sin duda pueden mejorar el rendimiento para aplicaciones en las que el diseño aún no se ha optimizado. Este es el caso de las microturbinas, donde las restricciones de costes siempre han prohibido fabricar características complejas que mejorarían el rendimiento. El tiempo entre reacondicionamiento (TBO) para la mayoría de los motores de turbina pequeños tiene un promedio de 40 a 50 horas, pero Roger Smith tiene la intención de aumentar ese valor a más de 1000 horas, a la par con los aviones comerciales. También planea reducir el peso del motor a la mitad, reducir el ruido y mejorar la eficiencia del combustible, todo mientras hace que las turbinas sean más fáciles de fabricar.

Créditos: VELO3D

Roger Smith explica que confía en que su equipo tendrá éxito donde otros han fracasado gracias a una serie de mejoras de diseño que solo son posibles con la tecnología avanzada de FA para metal. Aquí es donde entran en juego las capacidades sin soporte de VELO3D y su software Flow para fabricación aditiva. Hoy en día, algunos diseños son imposibles de fabricar con tecnologías 3D de metal en polvo sin soportes, agregando pasos adicionales de posprocesamiento para eliminarlos, lo que aumenta los costes y limita la libertad de diseño. En última instancia, la tecnología sin soporte permite fabricar componentes más complejos.

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En Sierra Microturbines, el combustor, el corazón de sus microturbinas Aurelius, fue diseñado específicamente para la fabricación aditiva. El componente contiene cientos de pequeños orificios, delicadas correas en forma de malla, docenas de canales de enfriamiento internos y una serie de paredes delgadas y extremadamente altas. El diseño inicial contenía 61 piezas discretas, que se consolidaron en una misma mediante técnicas DfAM. Es este diseño altamente sofisticado el que Smith presentó a varios fabricantes de equipos avanzados antes de elegir a VELO3D. Los desafió a construir la pieza con Hastelloy® X, un metal de alta resistencia y baja fluencia que permitiría que el motor alcanzara temperaturas normalmente inalcanzables en microturbinas.

Créditos: VELO3D

Hablando de su colaboración con VELO3D, Roger Smith dice: “El equipo de VELO3D trabajó con nosotros en el diseño, modificando cosas para hacerlo posible, pero fue su software Flow el que quizás fue el mayor facilitador. Contiene una serie de herramientas especiales que brindan información valiosa durante todo el proceso de preparación de la impresión”. Al final, la fabricación aditiva de 2 cámaras de combustión de microturbinas tomó alrededor de 50 horas; los métodos de fabricación tradicionales habrían tardado meses.

Además, al eliminar los soportes en voladizos poco profundos, el equipo de Sierra Turbines también pudo reducir la necesidad de mecanizado secundario y otros procesos de acabado, que pueden ser bastante costosos. Por último, el software de garantía de calidad del sistema, Assure, documenta todos los datos críticos del sensor que afectan la calidad de la pieza y produce un informe de construcción completo para la trazabilidad. Con puntos de datos relacionados con las protuberancias, el nivel de oxígeno, la vida útil del filtro y la alineación del láser, Sierra Turbines confía en que la pieza construida cumplió con los estándares.

Roger Smith comenta que una vez que la cámara de combustión haya sido probada y comparada a fondo, tiene la intención de buscar mejoras de rendimiento adicionales. Agrega: “VELO3D cree que puede usar la fabricación aditiva para la producción a gran escala, y yo también. Para el futuro desarrollo de turbinas de gas, nuestro objetivo es aprovechar el poder de la fabricación aditiva para integrar características como un recuperador de aumento de eficiencia, impresión en sensores y geometrías de aislamiento y refrigeración más novedosas”.

Esencialmente, la tecnología de fabricación aditiva de metal fue capaz de reducir los costes y los tiempos de entrega al permitir consolidar decenas y decenas de componentes en una sola pieza impresa en 3D. Una pieza con menor masa y mayor integridad mecánica que la alternativa soldada y ensamblada. Roger Smith espera cumplir todos los demás objetivos que se ha propuesto también en un futuro próximo. Puedes encontrar más información en el sitio web oficial de VELO3D.

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