¿Cómo usar eficientemente los recursos cuando se manufacturan aditivamente componentes metálicos?

La manufactura aditiva se ha establecido en muchos sectores industriales como un método para fabricar piezas de plástico. La impresión 3D de metales está en camino de convertirse en una historia de éxito similar. En el recientemente abierto Laboratorio de Impresión 3D para Metales y Materiales Estructurales en el Instituto Fraunhofer para Dinámica de Alta Velocidad (Ernst-Mach-Institut, EMI) se investiga sobre qué tan eficiente —en cuanto a los recursos— es el proceso de manufactura cuando se fabrican componentes ligeros de aluminio con métodos aditivos. Descubrieron que incluso las reducciones marginales en el material y los recursos utilizados por componente producen un alto ahorro de costos en la manufactura en serie.

El Laboratorio de Impresión 3D para Metales y Materiales Estructurales del Instituto Fraunhofer, en Freiburg (Alemania) alberga una de las impresoras 3D para metal más grandes disponibles en el mercado actualmente. En el sector de la investigación, un aparato de este tamaño es único. Usando la técnica de fusión selectiva con láser se pueden fabricar estructuras metálicas con dimensiones de hasta 40 centí­metros por manufactura aditiva. La impresión 3D ofrece formas completamente nuevas de diseñar componentes con formas altamente complejas y optimizando su peso.

Pero solo combinando la manufactura aditiva y el diseño liviano inteligente se puede maximizar la eficiencia de los recursos en la fabricación. Los investigadores del Instituto Fraunhofer en el Laboratorio de Impresión 3D han investigado qué tan económico es el proceso de manufactura en términos de recursos, y si los costos de materiales y de operación se pueden minimizar en comparación con los métodos industriales convencionales.

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Para hacer esto, tomaron un componente práctico y generalizado para sus pruebas: un portabicicletas como el que podrí­a usarse en un vehí­culo liviano. “Pudimos cuantificar el efecto que tiene la construcción liviana, y especí­ficamente el uso de métodos de optimización estructural, en los recursos utilizados en el proceso de fabricación de SLM”, explicó Klaus Hoschke, cientí­fico y lí­der de grupo en Fraunhofer EMI. La atención se centró en el consumo de energí­a y materiales, el tiempo de manufactura y las emisiones de CO2 que surgen durante la producción en pequeña escala de los rodamientos de doce ruedas.

Eficiencia en los recursos de una pequeña producción

Después de que los investigadores utilizaron el método numérico de elementos finitos (FEM, por sigla en inglés) para simular y analizar un diseño preliminar y determinar la forma geométrica correcta con métodos de optimización estructural, construyeron el rodamiento de la rueda en un diseño liviano optimizado. El resultado fue un rodamiento de rueda diseñado para los escenarios de carga definidos y que ofrece el máximo rendimiento. Debido a su complejidad geométrica, las estructuras producidas de esta manera no pueden fabricarse mediante métodos convencionales tales como fresado o torneado.

Con el modelo más ligero, pudimos ahorrar mucho en recursos durante la producción, ya que se debe producir menos material por componente. Si multiplica esto por el número de unidades en una corrida a pequeña escala, entonces se necesita menos tiempo, material y energí­a para la fabricación. Reducir el volumen mediante el uso de materiales de mayor resistencia ofrece el mayor potencial de ahorro de energí­a aquí­”, indicó el investigador.

Utilizando la versión numéricamente optimizada del rodamiento, se requirió un 15 % menos de energí­a para el proceso aditivo que para el método convencional: se necesitaron 12 kilovatios hora de electricidad para el diseño convencional, mientras que solo se necesitaron 10 kilovatios hora para el diseño numéricamente optimizado. (En cada caso, el valor medido se refiere a un componente fabricado en serie.) El tiempo de manufactura se redujo en un 14 % y las emisiones de CO2 en un 19 %. Y en lo que respecta al consumo de material, podrí­a reducirse significativamente en un 28 %.

Manufactura aditiva: el método de elección

Aunque los algoritmos de optimización estructural y las simulaciones de optimización numérica ya se están empleando en la impresión 3D de componentes hoy en dí­a, solo se usan cuando el componente debe ser extremadamente liviano, como piezas de aviones diseñadas para reducir el consumo de combustible durante la operación. Los componentes que carecen de estas implicaciones en cuanto a la optimización estructural todaví­a se fabrican generalmente utilizando métodos industriales convencionales. Los resultados de la producción en serie a pequeña escala del cojinete de la rueda sugieren que la manufactura aditiva también puede ser útil cuando un componente no tiene que estar estructuralmente optimizado como tal.

Un intercambiador de calor o un molde de herramienta, por ejemplo, no tienen que ser livianos para mejorar su funcionalidad; sin embargo, tiene sentido diseñarlos con un peso y volumen reducidos al fabricarlos de manera aditiva, porque de esta manera puede reducir los costos de manufactura”, explica Hoschke.

Los pronósticos sobre qué efecto tendrá la manufactura aditiva de metales en la producción global varí­an ampliamente. Pero todos están de acuerdo en una cosa: para muchas industrias, como la aeroespacial, la ingenierí­a automotriz, la ingenierí­a médica y la fabricación de herramientas, es un elemento de cambio. “Nuestros resultados positivos para la eficiencia de los recursos en el proceso de fabricación deberí­an reforzar esto”, afirma el cientí­fico. En el futuro, Hoschke y su equipo desean investigar en qué medida otras dimensiones de diseño, tamaños de series y materiales como el titanio afectan la eficiencia de los recursos del proceso de fabricación.