Siemens Energy Technology Application Center

Il Technology Applications Center (TAC) di Siemens Energy è un centro di livello mondiale che trasforma da progetto in realtà soluzioni industriali rapide per il mercato industriale. Fornisce soluzioni di progettazione, ingegnerizzazione e prototipazione rapida per problemi industriali, utilizzando una varietà di tecnologie per raggiungere i suoi obiettivi, tra cui la robotica, la scansione, gli strumenti digitali e la produzione additiva e sottrattiva.

Il TAC supporta l'attività di ingegneria globale di Siemens Energy e risolve problemi di progettazione e ingegnerizzazione per una varietà di clienti. La più recente aggiunta al portafoglio di tecnologie del TAC è Simulation di Markforged, che consente agli ingegneri di testare virtualmente la resistenza e la rigidità delle parti all'interno del flusso di lavoro di Eiger™. Consente di ottimizzare l'uso e la posizione del materiale in fibra continua aggiunto alle stampe per bilanciare la resistenza delle parti con i tempi e i costi di stampa.

La sfida

Siemens Energy produce grandi motori di turbine a gas che vengono utilizzati per generare elettricità per i clienti di tutto il mondo. Contengono anelli multipli di pale fisse che dirigono il flusso dei gas caldi dopo l'accensione del combustibile del motore. Queste pale in Inconel contengono rivestimenti ceramici che le proteggono da temperature fino a 2200° C. Siemens Energy utilizza la Digital Forge per testare continuamente i componenti e iterare le idee di progetto che contribuiscono a migliorare l'efficienza delle turbine a gas.

Una delle tecnologie utilizzate per convalidare le nuove idee all'interno del TAC è la termografia ad aria calda. Durante questa tecnica, l'aria calda viene fatta passare attraverso i canali di raffreddamento interni della pala, mentre una termocamera a infrarossi viene utilizzata per visualizzare il risultato dell'eccitazione termica sulla superficie della parte. Gli ingegneri vanno alla ricerca di aree di usura eccessiva o di degrado del rivestimento ceramico, nonché di eventuali segni di allungamento da sollecitazione.

Le pale, che pesano in media 6,8 kg e sono lunghe fino a 91,4 cm, devono essere sostenute saldamente in un dispositivo mentre l'aria viene fatta passare sopra di esse fino a 315° C per simulare le condizioni di funzionamento del motore. La caduta di una pala potrebbe causare danni per migliaia di dollari. Non solo, ma sarebbe difficile stabilire se il danno è stato causato dall'usura ordinaria del motore o dalla caduta a terra della pala.

In precedenza, per sostenere le pale durante questi test si utilizzava un dispositivo di metallo con guarnizione. La lavorazione di questi dispositivi richiedeva però fino a 6 settimane e lo stampaggio delle guarnizioni in silicone costava fino a 10.000 dollari. Il team TAC ha quindi iniziato a produrli in Onyx con un'alta percentuale di fibra di carbonio continua, per garantire che fossero abbastanza resistenti da sostenere saldamente le pale. Tuttavia, questo a volte comportava tempi di stampa più lunghi del desiderato e spreco di materiale.

La soluzione

Simulation di Markforged consente al team TAC di creare dispositivi durevoli in modo più rapido ed economico. Quando si è presentata l'occasione di testare in beta una versione di Eiger™ che incorporava il nuovo strumento Simulation, l'hanno vista come un'opportunità per ottimizzare i loro dispositivi personalizzati per quanto riguarda la resistenza e il tempo di stampa.

Simulation ha rivelato che i progettisti delle parti spesso specificavano una quantità di fibra di carbonio superiore a quella necessaria per ottenere la resistenza richiesta dai dispositivi, perché non avevano alcuna certezza dell'impatto che il rinforzo in fibra continua (CFR) avrebbe avuto sulla resistenza o sulla rigidità delle parti. Simulation li ha aiutati a superare questa barriera di conoscenze, dando loro maggiore fiducia nell'impatto che il rinforzo in fibra continua aggiunge ai loro progetti. Questo ha permesso di ridurre l'uso della fibra di carbonio fino al 60% e di abbattere i tempi di stampa fino al 75%.

Il team TAC ha inoltre scoperto che Simulation era in grado di eseguire le ottimizzazioni del progetto in molto meno tempo rispetto a quanto richiesto per far eseguire a un ingegnere la progettazione del dispositivo attraverso la tradizionale analisi degli elementi finiti (FEA). Simulation di Markforged guida l'utente nell'applicazione delle condizioni al contorno ed è ottimizzato per i materiali Markforged utilizzati nella parte. Inoltre, consente al team TAC di eseguire in modo efficiente l'analisi strutturale all'interno del flusso di lavoro di Eiger™.

La sfida

Per alcuni tipi di applicazioni di ispezione di precisione, i bracci robotici vengono utilizzati per posizionare i sensori in prossimità delle parti da testare. Lo zaino è un vassoio che si trova sulla sommità dell'"avambraccio" del robot. Contiene controllori logici programmabili, sensori, sistemi d'aria e altri componenti per supportare i sensori di presa. Il TAC crea varie configurazioni di zaino per accogliere differenti pacchetti di sensori. Durante lo sviluppo dell'applicazione, il numero e il tipo di sensori posizionati sull'effettore finale del robot possono variare, causando una modifica della configurazione dello zaino.

Gli zaini tradizionali in metallo richiedono tempi di produzione molto lunghi, che limitano la possibilità di aggiornare il design dello zaino durante il progetto. Uno svantaggio dell'uso della stampa 3D per gli zaini di grandi dimensioni è che sono generalmente più flessibili dei tradizionali zaini in metallo e non resistono al trasferimento di feedback inerziali indesiderati al braccio del robot.

La soluzione

La produzione degli zaini per bracci robotici in Onyx consente al team TAC di iterare rapidamente il design dello zaino. Ad esempio, possono aggiungere facilmente nuovi punti di montaggio e altre caratteristiche necessarie per ogni nuova versione. Usando Simulation di Markforged, è possibile ottenere rapidamente proprietà strutturali ottimali, bilanciando i tempi di fabbricazione e la necessità di strutture più rigide. Simulation consente al team TAC di vedere quali sono i punti deboli del progetto prima della stampa.

Il team TAC ha abbracciato Simulation di Markforged perché offre diversi vantaggi fondamentali. In primo luogo, fornisce un'analisi strutturale rapida e accurata dei progetti delle parti, consentendo di bilanciare la necessità di tempi di stampa rapidi con l'esigenza di parti strutturalmente solide. Questi dati li aiutano inoltre a dimostrare le capacità strutturali delle parti prodotte con la stampa 3D durante le discussioni con i clienti.

Il team TAC ha anche scoperto che Simulation di Markforged può agevolarli nel determinare l'orientamento di stampa ottimale per ogni parte, che non solo influisce sulla resistenza della parte ma anche sul tempo di stampa.

Con l'evoluzione di questo software, il team TAC è convinto che diventerà uno strumento fondamentale per lo sviluppo di parti stampate in 3D con fabbricazione a fusione di filamento (FFF).