lunes, 25 de octubre de 2021

PISTONES, Y MOTORES, FABRICADOS CON IMPRESORAS 3D

Pistón 3D con canales de refrigeración
IMPRESIÓN DE METAL
La técnica para la impresión de metal se conoce por su acrónimo inglés, DMLM (Direct Metal Laser Melting o Fusión Directa del Metal por Láser) aunque hay muchas variantes como DMLS (Sinterización Directa de Metal Láser) o EBM (Fusión por Haz de Electrones) o SLS (Sinterización Selectiva por Láser)

El proceso, al igual que las impresoras 3D convencionales que trabajan con plásticos termoestables, también se produce por fusión, pero en este caso lo que se funde es polvo metálico. El calor necesario es generado por un láser. Una boquilla suministradora va depositando finas capas de polvo de metal y un láser transfiere el calor al polvo que se acaba fundiendo. El polvo metálico suele ser de titanio, cromo-cobalto, aleaciones basadas en níquel, aluminio, acero y acero inoxidable, bronce y también metales preciosos.

También existen modelos en los cuales se utilizan sopletes de plasma para fundir el material metálico de alimentación.

Son impresoras con enorme precisión y un buen acabado superficial por lo que se usan en matricería. Lo normal es que el láser se monte en un brazo que en algunas impresoras tiene 4 ejes y en otras 5. Tantos grados de libertad permiten una impresión imposible por otros métodos y es por lo que se usa mucho en aeronáutica y defensa. También es el método ideal para reparar piezas desgastadas ya que se requiere un sistema de apoyo que suele ser la pieza a reparar.

PISTONES LIGEROS Y RESISTENTES

En entradas anteriores analicé la posibilidad de fabricar algunas piezas concretas de un tractor con impresión 3D, (https://www.masquemaquina.com/2019/03/se-puede-fabricar-un-tractor-con.html y https://www.masquemaquina.com/2019/04/se-puede-fabricar-un-tractor-con.html )

El análisis de hoy es más concreto y se refiere a la fabricación de motores y especialmente los pistones con impresoras 3D

Fabricación por adicción

La ventaja de la impresión en 3D es que es una fabricación por adicción, es decir que se van superponiendo material y por lo tanto se pueden crear piezas con formas que no se podría hacer de otra forma, como serían las técnicas de sustracción, o sería enormemente costoso.

Pistón 3D con estructura celosía

Para entender el proceso, imagínese que se desea fabricar un pistón con estructura, celosía, de nido de abeja. Este tipo de estructura es enormemente resistente, pero a pesar de que eso se sabe y es patente, no es nada fácil realizarlo; y eso es así porque hasta ahora la fabricación se debía hacer mediante técnicas de fabricación “tradicionales” como el mecanizado o la fundición o incluso la inyección. Sistemas que no permiten realizar algunas formas.

Con la impresión 3D se pueden resolver todos los problemas que se encuentran en la fabricación por “sustracción” (mecanizado)

La ventaja de disponer de un pitón con forma de celosía de nido de abeja es enorme, puesto que se disminuye mucho el material para su fabricación, y eso significa que el pistón tendrá menos inercia en su movimiento alternativo dentro del cilindro y además, sin perder nada de su resistencia.

Inercias y velocidad lineal: imagine el lector un pistón subiendo y bajando constantemente, a 2000 revoluciones por minuto, con unas velocidades lineales de 10 a 14 m/s con enormes presiones y altas temperaturas… (recuérdese que por cada vuelta que da el cigüeñal, el pistón debe recorre dos veces la distancia de la carrera del motor)

Pistón 3D

Pistón y bulón fabricados impresión 3D
Los pistones convencionales están fundidos o forjados de aluminio o acero. El proceso de fabricación implica que los pistones sean “sólidos” o con los “vaciados” justos que las técnicas de fundición permiten.

Con la impresión 3D las premisas de fabricación cambian totalmente. La fabricación por “adicción” implica que se pueden fabricar componentes con menos material. Por ejemplo, la fabricación de un pistón en celosía es posible con técnicas aditivas.

Un pistón en celosía implica menos material, y eso a su vez, implica, además del ahorro de material y de la reducción de inercia ya comentada, es que se permite una mejor refrigeración de la cabeza del pistón, reduciendo las áreas críticas de este elemento sometido a tan altas cargas, presión y temperatura. En un pistón impreso en 3D, se puede integrar el refuerzo estructural exactamente donde se necesita, resistiendo las altas temperaturas y presiones de la forma más efectiva y mejorando la estabilidad dimensional.

Además, con la reducción de masa también se favorece el enfriamiento en componentes asociados como las bielas, contrapesos del cigüeñal, rodamientos, y en general a todo el motor, como por ejemplo la reducción de fricciones que a la postre determinan la vida útil del motor.

TAMBIÉN PARA PRUEBAS Y ENSAYOS DE PROTOTIPOS

La impresión 3D muestra un enorme potencial en la realización de prototipos. Por ejemplo, en la elaboración de un pistón para el desarrollo de un motor, mediante moldeado convencional, puede llevar fácilmente 3 meses y eso siendo optimista. Con la impresión 3D, un pistón se puede fabricar y mecanizar en menos de una semana y así poder realizar una prueba de combustión dentro de ese motor prototipo.

Reducir el tiempo significa reducir la inversión, pero también es que es mucho más sencillo el proceso por el que un equipo de diseño de motores puede ajustar todos los parámetros: diámetro orificio bulón unión con la biela, relaciones de compresión, flujo de aceite de refrigeración, número de segmentos…

Otras oportunidades de la impresión 3D

Vídeo fabricación impresión 3D metal

Y es que el número de componentes fabricados por impresión 3D es tan amplio como piezas lleve el motor: bulones, culatas e incluso el bloque motor, culatas, turbo…

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