La impresión 3D de metal, una rama central de la fabricación aditiva, emplea modelos digitales para dirigir la fusión y el apilamiento de polvos metálicos capa por capa para crear componentes sólidos. Entre sus operaciones básicas se encuentran la fusión por haz de electrones (EBM) y la fusión selectiva por láser (SLM). En SLM, se utilizan rayos láser de alta-energía para fundir polvos metálicos, lo que permite la construcción-por-capas de estructuras complejas mediante un control preciso de las rutas de escaneo del láser. Basado en el enfoque de Siemens Energy, su quemador de turbina de gas construido por SLM-combina 13 componentes soldados en una sola unidad, lo que extiende enormemente la vida útil y la confiabilidad de los componentes.
Hay tres beneficios clave de esta tecnología: primero, utiliza más del 95% del material, que es mucho mejor que el 60%-70% utilizado en los métodos de fundición habituales; en segundo lugar, puede crear formas complejas que son difíciles de hacer con métodos tradicionales, como patrones en forma de panal para enfriar las culatas de los cilindros de los motores; y tercero, al optimizar el diseño, las piezas pueden fabricarse entre un 30% y un 70% más ligeras sin dejar de ser resistentes. Utilizando la impresión 3D de metal, la investigación de Siemens Energy ha demostrado que el peso de las culatas se redujo de 5095 gramos a 1755 gramos, produciendo así una reducción del 65% en el volumen y un aumento del 40% en la eficiencia de disipación de calor.
A través de Materials Solutions, Siemens Energy ha desarrollado un sistema de fabricación que abarca noventa impresoras 3D industriales de metal. Utilizando la tecnología SLM, las palas de las turbinas de gas fabricadas están diseñadas para mejorar el flujo de aire en su interior imitando la naturaleza, lo que ayuda a quemar combustible de manera más eficiente y reduce la necesidad de aire frío. La novedad tecnológica reside en la innovación de materiales: la creación de polvos de aleación a base de níquel-adecuados para condiciones de alta-temperatura, que pueden mantener una vida útil de 100.000 horas a 650 grados.
Se ha logrado la fabricación a medida de intermitentes de palas mediante tecnología de impresión de metal 3D para abordar los desafíos de la producción de palas convencional, que depende de moldes e incurre en altos costos. El diseño de optimización topológica ha reducido el peso del pararrayos en un cuarenta por ciento y triplicado la eficiencia de la instalación. Esta tecnología puede reducir los costos de mantenimiento en un 20 % y mejorar significativamente la economía general de vida útil de los equipos de producción de energía-en el contexto de la energía eólica marina.
La impresión de metales en 3D ha resuelto el difícil problema del mecanizado de microcanales, que es difícil de alcanzar con los métodos convencionales en la evolución de los motores de microturbinas. UPara una turbina refrigerada por microaire-de 50 mm, como ejemplo, el espesor de la pared del canal de enfriamiento producido mediante impresión 3D es de solo 0,3 mm, lo que mejora la eficiencia de enfriamiento en un 50% y obtiene una densidad de potencia tres veces mayor que en los diseños convencionales.
Tres dimensiones reflejan el triple-valor de aplicación de la impresión 3D en metal en el sector energético:
Según las prácticas de Siemens Energy, el uso de equipos ha aumentado un 200%, mientras que el ciclo de producción de componentes de quemadores fabricados con impresión 3D se ha reducido de 12 semanas con métodos convencionales a 4 semanas. La producción personalizada de intermitentes de palas ha reducido el ciclo de entrega de 60 días a sólo 7 días en el sector de generación de energía eólica, satisfaciendo así la demanda de respuestas rápidas del mercado.
La reducción directa de los costos de fabricación resulta de una mejor utilización de los materiales. Si utilizamos las palas de las turbinas de gas como ejemplo, las técnicas de fundición convencionales desperdician hasta el 30% de los materiales, mientras que la impresión 3D produce solo una pérdida del 5% de los materiales de soporte. En el sector de operación y mantenimiento de equipos energéticos, la tecnología de impresión 3D ha reducido los tiempos de respuesta de mantenimiento a 24 horas y ha disminuido los costes de inventario de repuestos en un 40%.
El diseño de optimización de la topología aumenta el área de disipación de calor de la culata del motor en un 80 %, lo que resulta en una reducción del peso del 66 %. En el campo de los equipos de microenergía, la tecnología de impresión 3D ha logrado la fabricación precisa de microcanales a un nivel de 0,1 mm, brindando así oportunidades para el diseño innovador de componentes esenciales, como las placas bipolares de pilas de combustible.
A pesar de los grandes beneficios tecnológicos, el uso de la impresión 3D en metal en el sector energético todavía presenta tres dificultades principales.
El uso limitado de los polvos metálicos actuales en componentes de alta-presión se debe a que su resistencia a la fatiga es entre un 15% y un 20% menor que la de los materiales manufacturados. La clave del progreso es desarrollar nuevos tipos de aleaciones, como aleaciones especiales de titanio fabricadas con fabricación aditiva por láser, que puedan alcanzar un límite elástico de 900 MPa o más.
La optimización del proceso todavía tiene que superar la desviación dimensional provocada por la deformación térmica. Mediante el uso de tecnología de simulación multi-física, Siemens Energy gestiona la precisión dimensional de las culatas con un margen de ± 0,05 mm, que es un 50 % más preciso que lo que permiten los métodos convencionales.
No existe ninguna certificación industrial para los componentes-impresos en 3D de los equipos energéticos. El establecimiento de un sistema integral de estándares de procesos que incluya materiales, procedimientos y pruebas es parte del camino innovador actual. Para los componentes metálicos impresos en 3D-, por ejemplo, la norma alemana VDI 3405 ha estandarizado los procedimientos de prueba de rendimiento de fatiga.