IDEA 1.61.
El intercambiador de calor de repuesto para un helicóptero tiene la mitad de tamaño y proporciona 4 veces más refrigeración, gracias a una geometría que sólo podía hacerse mediante fabricación aditiva.
Advanced Engineering Solutions aplicó una geometría que sólo podía hacerse mediante fabricación aditiva al rediseño de un intercambiador de calor para el aceite de la caja de cambios de un helicóptero. El resultado: cuatro veces más refrigeración en un intercambiador de calor de la mitad del tamaño del original. Los entramados giroides del interior de este intercambiador de calor maximizan la superficie interior para lograr una transferencia de calor más eficaz. Esta pieza fue una de las ganadoras seleccionadas por el público en nuestro primer concurso, The Cool Parts Showcase. | Este episodio de The Cool Parts Show presentado por Carpenter Additive.
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Transcripción:
Stephanie Hendrixson:
Este intercambiador de calor para helicópteros tiene la mitad de tamaño y es cuatro veces más eficiente que el que está diseñado para sustituir.
Peter Zelinski:
Un ganador seleccionado por el público de nuestro escaparate de piezas geniales en este episodio de The Cool Parts Show.
Peter Zelinski:
Soy Pete.
Stephanie Hendrixson:
Soy Stephanie.
Peter Zelinski:
Bienvenidos a The Cool Parts Show
Stephanie Hendrixson:
Este es nuestro programa sobre piezas impresas en 3D geniales, únicas, interesantes, sorprendentes y ahora premiadas. En 2021, organizamos nuestro primer concurso, The Cool Part Showcase. Recibimos docenas de entradas. Pete y yo elegimos a los finalistas, pero vosotros, los espectadores, votasteis y elegisteis a los ganadores, y hoy tenemos una de esas piezas aquí en el estudio.
Peter Zelinski:
El escaparate de las piezas geniales. Esto fue muy divertido. En la Conferencia y Exposición sobre Fabricación Aditiva expusimos las piezas finalistas. Tuvimos ganadores en cada una de las tres categorías diferentes sobre la base de los 2.500 votos que recibimos del público. Esta pieza de aquí es la ganadora en la categoría de Mejor Prueba de Concepto.
Stephanie Hendrixson:
Sí, esta pieza es un intercambiador de calor para un helicóptero. Fue diseñada y presentada por Advanced Engineering Solutions.
Peter Zelinski:
Sí. Intercambiador de calor para un helicóptero. Se trata de una propuesta de sustitución de un intercambiador de calor en un helicóptero militar que lleva décadas en servicio. Este intercambiador de calor en particular enfría el aceite de la caja de cambios y utiliza el propio combustible del helicóptero como fluido refrigerante. El intercambiador de calor convencional utiliza un diseño de carcasa y tubos, típico de los intercambiadores de calor, lo que significa que los tubos se doblan en una serie paralela a sí mismos, y el fluido de refrigeración pasa por encima. Lo especial de esta versión metálica impresa en 3D está en el interior. La compleja geometría del interior permite una transferencia de calor mucho más eficaz que la del diseño convencional.
Stephanie Hendrixson:
Sí, es cierto. Y también hay un par de cosas más. La construcción convencional de tubos y carcasas que has descrito requiere mucha mano de obra, muchas piezas diferentes que se unen. Y esto puede significar que estás cargando más material, estás cargando más peso de lo que podrías querer. Y, como sabemos, en el sector aeroespacial, el aligeramiento es casi siempre parte del objetivo. Así que la capacidad de imprimir en 3D algo como esto en una sola pieza reduce drásticamente el ensamblaje, simplifica la fabricación y también puede ayudar a eliminar peso y material del intercambiador de calor.
Peter Zelinski:
Ahorro de mano de obra, ahorro de peso. También se ahorra espacio. Así que este diseño de intercambiador de calor tiene la mitad de volumen que el intercambiador de calor existente, y es cuatro veces más eficaz en la refrigeración.
Stephanie Hendrixson:
Pero la clave de muchas de las cosas de las que hablamos es lo que ocurre en el interior. Algunas características que no se ven fácilmente, al menos desde este ángulo de la caja de cambios. Pero en el interior, en lugar de todos esos tubos doblados juntos, esta cosa está realmente llena de giroscopios.
Peter Zelinski:
Giroscopios. Se trata de superficies matemáticamente complejas que, en el caso de este intercambiador de calor, proporcionan una relación óptima entre la superficie metálica y los dos fluidos, lo que permite una transferencia de calor más eficaz. Para hablar más sobre esto. Traigamos al diseñador de este intercambiador de calor. Este es el Dr. Andreas Vlahinos, y es director técnico de Advanced Engineering Solutions.
Dr. Andreas Vlahinos:
La naturaleza utiliza estas geometrías desde hace mucho tiempo. Las burbujas de jabón son un buen ejemplo. Si tienes dos anillos y los sumerges en agua con jabón y los sacas, se genera una superficie bonita y agradable, que no es cilíndrica. Encuentra la mínima superficie posible, que conecta esos dos anillos. Lo llamamos superficies mínimas porque minimizan la superficie, porque las burbujas de jabón se estiran y automáticamente la naturaleza encuentra los diseños óptimos. Estos diseños, si son periódicos, los llamamos superficies mínimas triplemente periódicas porque se repiten en las tres direcciones. Así que superficies mínimas triplemente periódicas. Y algunas de ellas son giroscopios o diamantes. Estas superficies existen en la naturaleza. Las mariposas las usan en sus alas para poder tener una alta relación entre la envergadura y el grosor. Y un montón de otras aplicaciones de tipo biomimético pueden salir de. El problema es que estas superficies no se descubrieron hasta finales de los años setenta, y cuando se descubrieron sólo teníamos las ecuaciones. Yo estaba muy entusiasmado con ellas, pero no se podía hacer nada. No podíamos fabricarlas ni construirlas en los sistemas CAD. Ahora, con la fabricación aditiva, podemos construir estas superficies porque no necesitan ser mecanizadas.
Stephanie Hendrixson:
Andreas acaba de hablar de cómo la impresión 3D nos permite construir estas interesantes geometrías, como los giroscopios, que antes no hubieran sido posibles. Pero en este caso, los giroscopios realmente ayudan a la impresión 3D porque son autoportantes.
Peter Zelinski:
¿Cómo se imprime en 3D?
Stephanie Hendrixson:
Esto se hizo con fusión de cama de polvo láser. Concretamente, EOS lo imprimió en una de sus máquinas M290. Se sometió a un post-procesamiento mínimo, realmente sólo roscando estos agujeros y un poco de acabado de la superficie, y se imprimió sin soportes. Así que casi exactamente como se ve aquí.
Peter Zelinski:
¿Cuál es el material de la fusión de polvo por láser?
Stephanie Hendrixson:
Se trata de aluminio, silicio y magnesio. Así que es una aleación de aluminio.
Peter Zelinski:
Y no hay estructuras de soporte.
Stephanie Hendrixson:
Así que no en la forma en que normalmente pensamos en ellos. Los giroscopios son autoportantes, pero no se pueden construir giroscopios que floten libremente en el lecho de polvo. Así que si usted echa un vistazo a través de la parte inferior de este intercambiador de calor, verá una celosía en el interior y que la celosía es realmente sólo allí para proporcionar una superficie que usted puede construir los giroscopios en la parte superior. Pero no es una estructura de soporte que se retiraría después. Es algo que se ha convertido en una característica de esta parte. Está construido en, no va a salir. Así que es una estructura de soporte, pero no de la forma en que solemos hablar de ellas.
Peter Zelinski:
Bien, hay una celosía en el interior, hay una celosía en el exterior, como si fuera un huevo de Fabergé. ¿Qué es eso?.
Stephanie Hendrixson:
Sí. También es una especie de estructura de soporte. Estas costillas entrecruzadas están aquí para permitir que el espesor de la pared sea más delgado. Al tener este soporte en el exterior, se puede construir una pared más delgada sin perder la resistencia. Y esto permite, de nuevo, ahorrar material y reducir el peso.
Dr. Andreas Vlahinos:
La misión, sobre todo en el sector aeroespacial, es minimizar el peso. Por supuesto, no se quiere comprometer la seguridad. Por eso, en lugar de hacerlo muy grueso, colocamos las costillas en el exterior, lo que mejora el rendimiento. Y las costillas, dondequiera que haya una inmersión, son más gruesas. No son uniformes en altura, número uno. Así que para el exterior, hay una estructura de celosía, dos y medio de profundidad estructura de celosía envuelto en el exterior. En el interior también hay estructuras de celosía, que actúan como una pantalla. Así que trata de doble inmersión, esas pantallas actúan también como soportes para los giroscopios. Estos giroscopios tienen tres propiedades sorprendentes. En primer lugar, si llenamos un volumen con los giroscopios se divide el volumen en dos dominios diferentes, dos volúmenes diferentes. No se tocan entre sí y son continuos, lo que es ideal para un intercambiador de calor. Se puede bombear fluido en uno y bombear el otro fluido en el otro y se entremezclan muy bien. La segunda propiedad sorprendente, es que no tienen un eje débil. No pueden doblarse así. Giran continuamente. Así que son muy, muy fuertes en la compresión, por ejemplo. Así que esta cosa, va cerca de diez veces el rendimiento requerido para la presión. En la tercera característica, siguen girando por sí mismos por lo que no necesitan soportes. Así que cuando se imprimen, no es necesario tener ningún soporte en el interior, porque ¿cómo sería capaz de enviar a alguien dentro de aquí para quitar los soportes? Sería muy difícil. Así que todo se imprimió sin soportes. Y, por supuesto, no hay fallos de construcción porque hicimos la simulación.
Peter Zelinski:
Andreas habló de la simulación, que es una parte muy importante de este proyecto. Gran parte de la ingeniería se hizo digitalmente en forma de simulación, por lo que el flujo de fluidos y la transferencia de calor se simularon para obtener el diseño correcto y luego la fabricación aditiva se simuló primero antes de que se produjera físicamente.
Stephanie Hendrixson:
Así es. Así que el software fue una pieza importante, no sólo para averiguar el diseño, sino para probar que el diseño iba a funcionar, probando que se iba a imprimir correctamente antes de que se fuera a la impresora. Así que, Pete, refresca mi memoria. ¿Cuáles eran algunas de las herramientas de software que utilizaban?
Peter Zelinski:
Se simulaba el flujo de fluidos. Se utilizó la dinámica de fluidos computacional para buscar cosas como las regiones de recirculación, lugares en los que el fluido se quedaba atascado en un bucle, lo que significaba que no funcionaba de forma eficiente. El software utilizado para esa simulación procedía de PTC y de Ansys. También se simuló la construcción del lecho de polvo láser antes de imprimirlo en 3D y el software utilizado fue el de Additive Works.
Stephanie Hendrixson:
El objeto físico que tenemos aquí es, en realidad, el resultado de todo un trabajo digital virtual antes de llegar a la impresión en 3D. Así que este intercambiador de calor funciona. Funciona tal y como fue diseñado. Es más eficiente que la alternativa convencional, y se imprimió sin fallos de construcción.
Peter Zelinski:
Sí, es cierto. Y quiero dibujar un círculo alrededor de eso. La importancia y la potencia de las herramientas de simulación. Hablamos mucho de cómo la fabricación aditiva es una ayuda para la invención. Es fácil iterar con la fabricación aditiva. Seguir haciendo pieza tras pieza, tras pieza, tras pieza hasta conseguir exactamente el diseño deseado. Pero la simulación digital puede ser una forma aún más rápida de desarrollar un diseño. Iterar virtualmente. Y eso resultó ser muy importante en este caso. Las propiedades del flujo de fluidos se fijaron de antemano y las regiones de recirculación que he mencionado, algunas de ellas se encontraron y condujeron a modificaciones en el diseño antes de que se hiciera físicamente. La fabricación aditiva también. Ya hemos hablado de que en la fabricación aditiva, sobre todo en la de metales, hay que probar y equivocarse. Eso forma parte del desarrollo del proceso, pero las herramientas de software también aportan cada vez más sofisticación. En el caso de esta pieza en particular, no hubo ensayo y error en términos de construcción física. La construcción se simuló primero y permitió que la primera pieza impresa fuera una buena pieza.
Stephanie Hendrixson:
Se trata de una simulación digital y una fabricación digital en forma de impresión 3D que trabajan juntas.
Dr. Andreas Vlahinos:
Así que puedes cambiar algo y ver inmediatamente el impacto de tu cambio en el rendimiento del diseño. Así que puedes hacer cosas muy interesantes. Es como tener un corrector ortográfico para el diseño en tiempo real. Si tienes esa libertad, no tienes miedo de dar con ideas locas.
Stephanie Hendrixson:
Muy bien. ¿Estamos listos para terminar?
Peter Zelinski:
Creo que sí. Empieza tú.
Stephanie Hendrixson:
Muy bien. Así que este es un intercambiador de calor para un helicóptero. Este intercambiador enfría el aceite, el aceite de la caja de cambios del helicóptero con el combustible de la aeronave. Convencionalmente, un intercambiador de calor como este se haría con una construcción de tubo y cáscara, donde tienes un montón de diferentes tubos que corren a través de él que tienen que ser doblados y ensamblados juntos. Aquí se imprimió en 3D en una sola pieza. Este intercambiador fue diseñado por Advanced Engineering Solutions, y en este caso, los tubos se sustituyen por giroscopios y celosías internas, lo que permite que este intercambiador de calor sea más pequeño, más compacto, más ligero, y también funcione de manera más eficiente en la refrigeración del aceite.
Peter Zelinski:
Sí, un diseño más eficiente. Y esa eficiencia proviene de una geometría interna que sólo podía producirse mediante impresión 3D. Se utilizaron herramientas de simulación para llegar a esa geometría y simular la construcción por adelantado. Esto se hizo con una aleación de aluminio en una máquina de fusión de lecho de polvo láser de EOS M290. El procesamiento posterior fue mínimo. Se ha realizado algún mecanizado en los extremos para la conexión con el resto del conjunto, pero por lo demás se trata de una pieza sólida impresa en 3D que sustituye a lo que solía ser un conjunto y está preparada para una larga vida útil en un helicóptero militar.
Stephanie Hendrixson:
Muy bien, creo que eso es todo. Gracias de nuevo a Advanced Engineering Solutions por presentar esta pieza. Enhorabuena por su victoria. También haremos episodios con los demás ganadores, así que estén atentos a ellos.
Peter Zelinski:
Sí, próximamente habrá más episodios con los ganadores de la exposición de piezas geniales. Suscríbete para no perdértelos. No pierdas de vista nuestros episodios anteriores. Si es la primera vez que ves el programa, están todos en TheCoolPartsShow.com.
Stephanie Hendrixson:
Una nota importante: no es necesario ganar un concurso para aparecer en The Cool Parts Show. Así que si tienes una pieza genial que te gustaría que consideráramos para un futuro episodio, puedes enviarnos un correo electrónico, CoolParts@AdditiveManufacturing.media. ¡Gracias por vernos!
Peter Zelinski:
Este episodio es traído a usted por Carpenter Additive. Ya hemos superado el punto de no saber cómo calificar las piezas metálicas impresas en 3D. Sabemos que los diferentes usuarios finales de esas piezas tienen diferentes requisitos de cualificación. Los proveedores de servicios de fabricación aditiva tienen que navegar por eso, y Carpenter Additive tiene que pensar en eso a la hora de adaptar las soluciones de gestión del polvo.
William Herbert:
Nuestros clientes suelen tener, si son proveedores de servicios, una serie de clientes usuarios finales, que pueden ser, por ejemplo, fabricantes de equipos originales en el mundo aeroespacial, y cada uno de ellos tiene un equipo bastante grande de ingenieros que han estado haciendo esto durante décadas o más y han desarrollado todas estas normas, reglamentos, papeleo. Por lo tanto, es un reto enhebrar la aguja entre todos estos requisitos diferentes. Empezamos con un nivel muy alto. Visitamos el taller. Les preguntamos sobre su origen para hundir, cómo traen los materiales, las mercancías, envían ese material a cada uno de los sistemas. Y luego lo que realmente nos interesa es cómo reutilizan ese material. Así que lo que hacemos se llama un mapa de flujo de valor. A menudo, esto nos lleva a una serie de cosas que se han pasado por alto o que aún no han salido a la superficie, en términos de riesgos potenciales o desafíos potenciales o ineficiencias que existen. Muchos de los clientes con los que trabajamos, especialmente en los sectores más regulados, como el espacial, el médico o el aeroespacial, ya han pasado por esas primeras etapas de aprendizaje. Han invertido más de cinco años en esto. Han realizado el diseño del producto y el diseño para la fabricación aditiva. Y ahora están empezando a tener algunos de los problemas más delicados que se presentan cuando se llega a una escala de quizás 5 o 10 máquinas, y están utilizando diferentes materiales simultáneamente haciendo diferentes programas. Tenemos lo mejor del campo médico y del campo aeroespacial. Conocemos las especificaciones y las normas que existen en cada uno de esos campos, y podemos tomar los mejores elementos de ellos y personalizarlos para nuestros clientes.
Artículo original disponible en: AMADDITIVE.