Centro de aplicaciones tecnológicas de Siemens Energy

El Centro de aplicaciones tecnológicas (TAC) de Siemens Energy es un centro de soluciones industriales rápidas de primera línea para el mercado industrial. Proporciona soluciones de diseño, ingeniería y prototipado rápido para problemas industriales utilizando diversas tecnologías para lograr sus objetivos, como robótica, escaneado, herramientas digitales y fabricación aditiva y sustractiva.

El TAC apoya el negocio global de ingeniería de Siemens Energy y resuelve problemas de diseño e ingeniería para diversos clientes. La incorporación más reciente a la cartera de tecnologías del TAC es Simulación de Markforged, que permite a los ingenieros probar virtualmente la resistencia y rigidez de sus piezas dentro del flujo de trabajo de Eiger™. Asimismo, les permite optimizar el uso y la colocación del material de fibra continua que se añade a las impresiones para encontrar el equilibro entre la resistencia de la pieza y el tiempo y el coste de impresión.

El desafío

Siemens Energy fabrica grandes motores de turbinas de gas que se utilizan para generar electricidad para clientes de todo el mundo. Estos motores contienen múltiples anillos de álabes estáticos que dirigen el flujo de gases calientes tras la ignición del combustible del motor. Estos álabes de Inconel contienen revestimientos cerámicos que los protegen de temperaturas de hasta 2200 °C. Siemens Energy utiliza The Digital Forge para probar componentes de forma continua y realizar iteraciones de diseños que contribuyen a mejorar la eficiencia de las turbinas de gas.

Una de las tecnologías utilizadas para validar nuevas ideas en el TAC es la termografía por aire caliente. Durante esta técnica, se hace pasar aire caliente por los canales de refrigeración internos del álabe mientras se utiliza una cámara de infrarrojos para obtener imágenes del resultado de la excitación térmica en la superficie de la pieza. Los ingenieros buscan zonas de desgaste excesivo o degradación en el revestimiento cerámico, así como cualquier indicio de alargamiento por tensión.

Los álabes, que pesan una media de 6,8 kg y miden hasta 91 cm de longitud, deben sujetarse firmemente en un utillaje mientras se hace pasar aire a 315 °C para simular las condiciones de funcionamiento del motor. Si se desprende un álabe de un utillaje, podría causarle daños por valor de miles de dólares. No solo eso, sino que sería difícil determinar si el daño fue causado por el desgaste rutinario del motor o por la caída del álabe al suelo.

Anteriormente, se utilizaba un utillaje de metal con una junta para sujetar los álabes durante estas pruebas. Sin embargo, el mecanizado de estas piezas tardaba hasta seis semanas y el moldeado de las juntas de silicona costaba hasta 10 000 dólares. Así que el equipo de TAC empezó a fabricarlos en Onyx con un alto porcentaje de fibra de carbono continua para garantizar que fueran lo suficientemente resistentes como para sujetar con seguridad los álabes. Pero en ocasiones se tardaba más de lo esperado en imprimir y se desperdiciaba material.

La Solución

El software Simulación de Markforged permite al equipo de TAC crear utillajes duraderos en menos tiempo y de forma más rentable. Cuando probaron una versión beta de Eiger™ que incorporaba la nueva herramienta Simulación, lo vieron como una oportunidad para optimizar la resistencia y el tiempo de impresión de sus utillajes a medida.

Simulación reveló que, con frecuencia, los diseñadores de piezas añadían más fibra de carbono de la indispensable para lograr la resistencia necesaria de los utillajes, porque no confiaban en el impacto del refuerzo de fibra continua (CFR) en la resistencia o rigidez de sus piezas. Simulación les ha ayudado a superar esta barrera de conocimiento, dándoles una mayor confianza en cómo el CFR puede reforzar sus diseños. Esto les ha permitido reducir el uso de fibra de carbono hasta en un 60 % y recortar los tiempos de impresión hasta en un 75 %.

El equipo de TAC también descubrió que Simulación podía realizar optimizaciones de diseño en mucho menos tiempo que el que se necesita para que un ingeniero realice un análisis de elementos finitos (FEA) tradicional en el utillaje. Simulación de Markforged guía al usuario a través de la aplicación de las condiciones de contorno y tiene en cuenta los materiales de Markforged utilizados en la pieza. Además, con Simulación, el equipo de TAC puede realizar este análisis estructural de forma eficiente dentro del flujo de trabajo de Eiger™.

El desafío

En algunos tipos de aplicaciones de inspección de precisión, se utilizan brazos robóticos para colocar sensores cerca de las piezas que se están probando. La mochila es una bandeja que se coloca sobre el «antebrazo» del robot y que contiene controladores lógicos programables, sensores, sistemas de aire y otros componentes de apoyo a los sensores de fin de brazo. El TAC crea varias configuraciones de mochila para acomodar diferentes paquetes de sensores. Durante el desarrollo de la aplicación, el número y el tipo de sensores situados en el efector terminal del robot pueden variar, lo que provoca un cambio en la configuración de la mochila.

Las mochilas tradicionales de metal tardan mucho en fabricarse, lo que limita la frecuencia con la que puede actualizarse su diseño durante el proyecto. Un inconveniente de utilizar la impresión 3D para fabricar mochilas grandes es que suelen ser más flexibles que las mochilas metálicas tradicionales y no resisten la transferencia de reacción de inercia no deseada al brazo del robot.

La solución

Fabricar las mochilas para brazos robóticos en Onyx permite al equipo de TAC realizar iteraciones rápidas de su diseño. Por ejemplo, pueden añadir fácilmente nuevos puntos de montaje y otras características necesarias para cada nueva versión. Con Simulación de Markforged, se pueden conseguir rápidamente propiedades estructurales óptimas para encontrar un equilibrio entre el tiempo de fabricación y la necesidad de estructuras más rígidas. Simulación permite al equipo de TAC ver dónde están los puntos débiles del diseño antes de imprimirlo.

El equipo de TAC ha adoptado Simulación de Markforged porque les ofrece varias ventajas clave. En primer lugar, les proporciona un análisis estructural rápido y preciso de los diseños de las piezas, lo que les permite encontrar el equilibrio entre la necesidad de imprimir rápido y el requisito de obtener piezas estructuralmente sólidas. Estos datos también les ayudan a ofrecer argumentos a sus clientes en favor de las capacidades estructurales de las piezas producidas mediante impresión 3D.

El equipo de TAC también ha descubierto que Simulación de Markforged les ayuda a determinar la orientación de impresión óptima para cada pieza, lo que no solo influye en la resistencia de la pieza, sino también en el tiempo de impresión.

A medida que este software vaya evolucionando, el equipo de TAC está convencido de que se convertirá en una herramienta integral en el desarrollo de piezas impresas en 3D de fabricación con filamento fundido (FFF).