El impacto de la fabricación aditiva en el transporte de combustible nuclear

En 2019, Orano Federal Services y la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte se pusieron a trabajar en el diseño de amortiguadores de impacto impresos en 3D para contenedores de combustible nuclear gastado. El proyecto chocó con varios obstáculos. Siete años después, el estudio se reactiva, y algunas de esas barreras parecen haberse superado. Entonces, ¿vale la pena imprimir en 3D estas estructuras para el sector nuclear?

Primero hay que entender por qué se busca fabricar estos amortiguadores de otra manera. Tradicionalmente son estructuras de madera de balsa o secuoya, o incluso de aluminio. El coste de fabricación puede oscilar entre 250.000 y un millón de dólares, porque son piezas voluminosas que requieren una cantidad importante de materia prima.

A primera vista, parece que la fabricación aditiva tiene mucho que aportar, optimizando la cantidad de material y reduciendo costes. Es exactamente lo que se busca. Pero, como cabe imaginar, no es tan sencillo.

¿Qué proceso de fabricación aditiva elegir para el nuclear?

Un amortiguador de impacto es, como su nombre indica, una estructura diseñada para resistir todo tipo de pruebas: caídas, incendios, aplastamientos. Es una pieza de gran tamaño con restricciones dimensionales, de peso y de temperatura. Producirla no es poca cosa.

En 2019, cuando comenzó el estudio, las impresoras 3D del mercado no eran tan generosas en cuanto a volúmenes de impresión, y los investigadores se toparon con problemas de escala. Un obstáculo que hoy ya no es tan relevante.

Se identificaron dos tecnologías para imprimir los amortiguadores: el modelado por deposición fundida (FFF/FDM) y la fusión láser por lecho de polvo (en concreto, una máquina de Nikon SLM Solutions).

Con esa máquina para metal, los equipos fabricaron un amortiguador con 442 piezas distintas, cada una de 25,4 × 25,4 × 50,8 cm. El ensamblaje fue toda una tarea monumental. Con la impresora FFF, ese número se redujo drásticamente a solo 36 bloques de 50,8 × 50,8 × 101,6 cm.

Las 442 piezas impresas en 3D con metal se ensamblan para construir toda la estructura.

Densidad, relleno y reducción de peso

Más allá del proceso elegido, lo interesante de la fabricación aditiva es que permite jugar con la densidad del patrón de relleno de la pieza, logrando una absorción de energía suficiente mientras se reduce la cantidad de material empleada.

En la práctica, los equipos probaron estructuras alveolares (tipo panal de abeja) y también diseños en giroide. Con este último obtuvieron un aligeramiento un 80% mayor, más resistencia en todas las direcciones y menor densidad. Todo ventajas.

En FDM, solo se han impreso en 3D 36 bloques

Pero, ¿qué hay de los costes? Teniendo en cuenta el precio de la máquina, los materiales y la mano de obra, los equipos calcularon un ahorro de más de un millón de dólares con un diseño en FFF y un relleno del 5%. A ese precio, no hay mucho que pensar.

Dicho esto, hay más factores en juego. El estudio señala la ausencia de normas de calidad nuclear aplicables a la fabricación aditiva. Queda por demostrar la eficacia real de estos equipos impresos en 3D. Lo que sí parece claro es que avanzar más rápido en la investigación dentro del sector nuclear podría ser muy beneficioso para las tecnologías de impresión 3D.

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*Créditos de todas las fotos: Orano Federal Services