Piezas potentes

Materiales resistentes, tolerancias estrictas, cantidades bajas y formas complejas: los proveedores líderes ofrecen asesoramiento para afrontar las estrictas demandas de la industria energética.

Estados Unidos se fundó sobre la primera fuente de energía renovable del mundo: la madera. Lamentablemente, los colonos del país pronto descubrieron que los árboles que quemaban para calentar sus hogares y cocinar sus alimentos no crecían lo suficientemente rápido para satisfacer la creciente demanda, por lo que cambiaron al carbón.

Sin embargo, con la invención de la electricidad y luego de los automóviles, los combustibles fósiles homólogos del carbón (petróleo y gas natural) pronto tomaron la delantera en el desfile energético y siguen a la cabeza en la actualidad. De hecho, el informe Anual Energy Outlook 2022 de la Administración de Información Energética (EIA) de EE. UU. pronostica que las fuentes de energía no renovables seguirán siendo protagonistas hasta 2050.

También señaló que, dado que las preocupaciones sobre el calentamiento global y la contaminación del aire ocupan un lugar central, alternativas más respetuosas con el planeta, como la energía solar, el hidrógeno y la eólica, están ganando fuerza. Si a esto le sumamos un resurgimiento de la energía nuclear y un impulso para mejorar las fuentes hidroeléctricas existentes con tecnología moderna, la escritura está en el muro eléctrico: los combustibles fósiles eventualmente (aunque no es probable que durante la vida de este baby boom) sigan el mismo camino que las plantas prehistóricas. y animales que los hicieron.

Cualquiera que sea la fuente de energía, reunir sus fotones, moléculas o movimiento y luego convertirlos en electricidad es una tarea exigente. Una plataforma petrolera marina, por ejemplo, debe operar en agua a cientos o miles de pies de profundidad y perforar agujeros en la tierra muchas veces esa profundidad. Las presiones son extremas, los fluidos bastante corrosivos y las temperaturas extremadamente altas.

Debido a esto, los pozos de petróleo y las refinerías utilizan muchas de las mismas superaleaciones resistentes al calor (HRSA) que se encuentran en los motores a reacción y otros componentes de las aeronaves. Los metales como el Inconel 718 y el acero inoxidable 17-4 PH contienen cantidades relativamente grandes de cromo, molibdeno, níquel y otros elementos de aleación que hacen que lo que de otro modo sería acero ordinario sea extremadamente resistente y resistente; desafortunadamente, también hacen que estas aleaciones sean difíciles de mecanizar y fabricar.

A Scott Green le importa poco la maquinabilidad. Como líder principal de soluciones en 3D Systems Inc., Rock Hill, SC, lo que sí le importa es la reducción del número de piezas, la eficiencia del combustible y el tiempo de comercialización, atributos que permiten que la impresión directa en metal (DMP) haga avances significativos en el mercado. sector energético, en particular el mercado de turbinas de gas industriales (IGT).

Gran parte de este éxito se debe a la capacidad de DMP para convertir estos metales de alto rendimiento en formas enormemente complejas que antes eran imposibles o al menos con un costo prohibitivo de fabricar, eliminando algunos o todos los pasos de mecanizado y ensamblaje a lo largo del camino. "Existe una gran oportunidad para el uso de microturbinas en la generación y el almacenamiento descentralizados de energía, y eso tiene importantes implicaciones para la fabricación aditiva", afirmó.

Mire lo que sucedió en Texas en el invierno de 2021, señaló, cuando grandes partes de la red se cerraron debido a las inclemencias del tiempo. La generación de energía descentralizada habría evitado esto. Luego está California, donde los propietarios de Tesla Powerwalls ayudaron a aliviar los apagones reintroduciendo electricidad a la red. Estos ejemplos indican que una solución energética modernizada que incluya generación de energía localizada y a pequeña escala se está volviendo más popular y pronto explotará en todo Estados Unidos, si no en todo el planeta.

Green sostiene que las microturbinas son una pieza crítica de esta ecuación energética. Cuando los municipios y los gobiernos de los condados invierten en sus propios suministros de energía, de repente se vuelven mucho menos dependientes de la infraestructura energética estatal y regional y más resistentes a las perturbaciones climáticas o civiles.

¿Qué tiene que ver la impresión 3D con todo esto? Buena pregunta, dijo Green. “Tal como hemos visto en otros sectores manufactureros, DMP aporta muchos beneficios. Para empezar, a medida que reducimos el tamaño de las grandes turbinas industriales, aumentan las oportunidades de consolidación de piezas. Esto simplifica el diseño y reduce el coste. Los fabricantes también disfrutan de una mayor libertad de diseño, por lo que están encontrando formas de mejorar la eficiencia del combustible. Agregue a eso la capacidad de iterar más rápidamente y podrá ver por qué la fabricación aditiva de metales está desempeñando un papel cada vez más importante en el crecimiento de la industria IGT”.

También está ayudando a que la infraestructura energética existente sea más respetuosa con el planeta.

El apropiadamente llamado Green está trabajando con ingenieros de una “importante empresa de energía” en sus esfuerzos por reducir y utilizar los gases residuales a través de la tecnología de turbinas. “En lugar de ventilarlo al medio ambiente, planean redirigir los subproductos de la combustión a través de una turbina, capturando así lo que normalmente es calor desperdiciado y al mismo tiempo eliminando carbono y otros contaminantes. Se llama redirección de gases de combustión en el punto de origen y, al igual que ocurre con la generación de energía a pequeña escala, la impresión 3D la hace mucho más atractiva para los productores de energía”.

Heath Houghton es consultor empresarial principal de Autodesk Inc, con sede en San Francisco. Está viendo la misma tendencia hacia la sostenibilidad y la reducción de la huella de carbono, y dijo que "prácticamente todos los clientes" con los que ha interactuado durante el año pasado han publicado objetivos junto con Estas líneas. Señaló que la eficiencia energética es un componente clave de ambos, y un número cada vez mayor de fabricantes han recurrido a la simulación y el diseño generativo en un esfuerzo por cumplir sus objetivos energéticos corporativos.

Muchos en la industria equiparan el software de diseño generativo con la fabricación aditiva. Houghton está de acuerdo en que éste fue uno de los primeros usos de esta novedosa tecnología, pero está lejos de ser el último. "La gente está utilizando la generación para producir diseños de piezas más eficientes, cualquiera que sea el método de fabricación", afirmó. "Al final del día, todo se reduce a la optimización de la topología, y eso es efectivo para muchas aplicaciones, incluidas las partes energéticas".

Al igual que Green de 3D Systems y otros entrevistados para este artículo, Houghton está viendo una mayor actividad en el sector energético. Muchas de estas partes son bastante grandes, añadió. Las carcasas de turbinas y los impulsores, por ejemplo, son componentes que Green conoce bien. Cuando son demasiado grandes para caber en la cámara de construcción de una impresora 3D o cuando tiene más sentido económico, estas y otras piezas igualmente complejas a menudo se producen mediante el proceso de fundición a la cera perdida.

Aquí también la impresión 3D ha empezado a desempeñar un papel importante. Los fabricantes ahora pueden evitar los largos procesos tradicionales de creación de patrones utilizando QuickCast de 3D Systems y tecnologías de la competencia, imprimiendo patrones a base de cera o resina en una fracción del tiempo que antes era necesario. De manera similar, el software de diseño generativo permite a los diseñadores crear componentes de todo tipo (energéticos y de otro tipo) más fuertes, más livianos y con menos material. Esto generalmente significa que se requiere menos mecanizado, lo que ahorra tiempo y dinero a los fabricantes.

Sin embargo, Houghton se apresura a señalar que Autodesk aporta mucho más al sector de fabricación que software de diseño y simulación. Por ejemplo, el producto estrella Fusion 360 de la compañía admite la programación de máquinas herramienta CNC con hasta cinco ejes de movimiento simultáneo, así como la gestión de datos centralizada, la colaboración entre los equipos de diseño y fabricación, y una serie de capacidades adicionales, entre ellas la impresión 3D. a ellos.

"Como ocurre con cualquier sector industrial, la energía tiene sus propios desafíos únicos", dijo. “Como señalé anteriormente, las piezas suelen ser bastante grandes, por lo que no solo existen importantes oportunidades para la optimización del diseño, sino también para optimizar los procesos de mecanizado y fabricación. Ayudamos a los fabricantes a mejorar en cada una de estas áreas”.

Jeff Wallace, vicepresidente de ingeniería y director de tecnología de DMG Mori Federal Services Inc. (la unidad de soporte y ventas del gobierno estadounidense de DMG Mori Group) en Hoffman Estates, Illinois, también tiene mucho que decir sobre la racionalización. La empresa ha desarrollado una amplia gama de maquinaria CNC avanzada, gran parte de ella diseñada para combinar lo que alguna vez fueron pasos de mecanizado separados y, para muchas piezas, completarlos en solo una o dos operaciones. Ya sea un torno multitarea, un centro de torneado-fresado o un centro de mecanizado de cinco ejes, capacidades como estas aportan enormes beneficios a los talleres mecánicos de todo tipo, entre ellos los que fabrican piezas energéticas.

Y como estas máquinas herramienta son enormemente complejas, DMG Mori también se ha esforzado en hacerlas lo más fáciles de manejar posible. Esto se logra en gran parte a través de “ciclos tecnológicos” que, según la compañía, reducen el tiempo de programación, aseguran una estructura adecuada del programa y minimizan los errores. Wallace marcó algunos de estos ciclos, incluido el subproceso múltiple, el monitoreo sencillo de herramientas, el control de vibración de la máquina, el torneado por interpolación y otros, algunos de los cuales ahora están en su segunda iteración.

También está la fabricación de engranajes. Los ciclos tecnológicos y de equipos de DMG Mori apoyan el tallado, el biselado, el fresado y el rectificado, operaciones que hasta hace poco se limitaban a equipos especiales. Es cierto que los engranajes se encuentran en todo, desde la máquina de hielo de la puerta del refrigerador hasta la transmisión del automóvil familiar, pero como señaló Houghton, los engranajes utilizados por la industria energética suelen ser mucho más grandes que las piezas básicas que acabamos de nombrar y, por lo tanto, requieren grandes maquinaria (como la de DMG Mori) para fabricar.

También se producen en cantidades menores y, dada la necesidad de una respuesta rápida en MRO y piezas de repuesto, además con plazos de entrega más cortos.

El equipo CNC multifuncional proporcionado por DMG Mori y algunos otros fabricantes líderes de máquinas herramienta cumple todos estos requisitos.

"Es una gran ayuda para la industria si pueden alejarse de las máquinas talladoras y rectificadoras de engranajes dedicadas", dijo Wallace. "Hay un par de razones para esto. En primer lugar, si el trabajo se agota para una de esas máquinas, quedan inactivas, mientras que una multitarea puede usarse para hacer prácticamente cualquier cosa que entre por la puerta. En segundo lugar, los plazos de entrega de las cortadoras de engranajes, fresadoras y raspadoras suelen medirse en semanas o incluso meses, por lo que si no tiene la herramienta adecuada a mano, tendrá que esperar mucho tiempo para fabricar ese engranaje. "

Wallace advierte que las máquinas CNC multifuncionales no son la solución definitiva para determinadas aplicaciones. Para la fabricación de gran volumen donde el número de piezas es limitado, un equipo dedicado a la fabricación de engranajes sigue siendo la solución más rentable, aunque menos flexible. Lo mismo puede decirse de los engranajes que exigen una precisión extrema y acabados superficiales finos, aunque esta afirmación es menos cierta que antes. "Trabajamos en muchas de nuestras plataformas y también tenemos un grupo de molienda dedicado llamado Taiyo Koki, por lo que a menudo también podemos competir en este campo".

Lo mismo puede hacer Sandvik Coromant US de Mebane, Carolina del Norte, que ofrece una variedad de cortadoras de acero de alta velocidad, carburo sólido y engranajes indexables que abordan una necesidad específica en la industria de fabricación de engranajes: el biselado. “Debido a que las máquinas herramienta de cinco ejes ahora se han vuelto lo suficientemente precisas como para mantener el husillo principal y el husillo de la herramienta perfectamente sincronizados sin retrasos ni desajustes, ahora pueden impulsar el skiv, un proceso avanzado utilizado para crear engranajes y ranuras internas y externas. "

Así lo afirma Chuck Kirts, especialista en aplicaciones y ventas de SAA para fresado de engranajes en Sandvik Coromant. Señala que el raspado y otras formas de generación de engranajes en centros de mecanizado son más difíciles de vender a los clientes que fabrican cantidades automotrices con maquinaria dedicada al corte de engranajes. Pero para los clientes y proveedores de automóviles que inician nuevas líneas de producción o reemplazan líneas antiguas, estas máquinas ofrecen una opción asequible y confiable. La capacidad de realizar el biselado en la misma máquina que fresa, perfora y gira es una gran ventaja. En los mercados aeroespacial y energético, donde las cantidades son menores, es un camino claro a seguir, especialmente con los metales duros mencionados anteriormente.

"Recientemente trabajé con una empresa del sur fabricando piezas de aproximadamente 10 pies de diámetro en una de las máquinas más grandes de DMG Mori", dijo Kirts. “Utilizamos una de nuestras cortadoras biseladoras CoroMill 180 indexables para generar el perfil del engranaje y, debido a que tenían el ciclo tecnológico correcto, husillos de alta precisión y accionamiento directo, tuvieron bastante éxito”.

Engranajes, carcasas de turbinas, anillos de estator: la industria energética y las piezas que produce son mucho más que estos pocos ejemplos. Consideremos las turbinas eólicas. Sí, estos utilizan algunos de los mismos componentes y comparten algunas similitudes con otros equipos de producción de energía, pero mientras que una planta alimentada con carbón quema trozos de carbono para generar electricidad y una planta de energía nuclear divide átomos de uranio en un proceso continuo y cuidadosamente controlado. explosión, los parques de turbinas eólicas no hacen más que girar suavemente con la brisa.

Guy Dorrell lo sabe todo. Miembro del equipo global de comunicaciones externas de Siemens Gamesa Renewable Energy SA, con sede en Vizcaya, España, es uno de los mayores fanáticos de la energía eólica y está especialmente intrigado con el proceso de fabricación detrás del componente más visible de cualquier turbina: sus palas. “Son la estructura de fundición única más grande del mundo, más grande que los cañones de artillería, los cascos de los tanques, lo que sea. Nada más se compara”.

Para aquellos de ustedes que han pasado por un parque eólico marino y se han preguntado cómo se fabrican esas palas, es posible que se sorprendan con la respuesta. Aquí no hay maquinaria masiva, explicó Dorrell, ni robots que se arrastran arriba y abajo a lo largo de 100 metros o más de la hoja, sólo un equipo de artesanos cualificados que construyen cada hoja a mano. Colocan secciones individuales de fibra de vidrio y lámina de fibra de carbono en un molde con resina entre cada una, alisan todo con rodillos, luego le dan la vuelta y repiten el proceso en la otra mitad. Cuando esté listo, se mete todo en el horno durante aproximadamente una semana. Luego, la pala se lija, se inspecciona, se pinta, se transporta al lugar de trabajo en alta mar y se atornilla a la góndola. "Es lo más asombroso e increíble que puedas imaginar".

Cuando se le preguntó por qué Siemens Gamesa no había seguido los pasos de la industria aeronáutica y no había automatizado el proceso, su explicación fue sencilla. "Simplemente no se puede hacer", dijo. “Las palas son cónicas y tienen una forma muy compleja de perfil aerodinámico con estructuras internas realmente intrincadas para evitar que se separen con vientos de 100 mph. También equilibramos las palas y luego las combinamos con otras que trabajarán juntas para amortiguar cualquier efecto armónico. Créanme, hemos buscado formas de mecanizarlo, pero hasta ahora la tecnología no existe”.

Como se señaló, Dorrell está orgulloso de los artesanos y de todo lo que hace la empresa. Dijo que hace 10 años Siemens Gamesa estaba instalando turbinas eólicas marinas con 2,3 megavatios de capacidad de generación. Seis generaciones después, ese valor ha aumentado a 14 megavatios: energía suficiente para alimentar una casa con cada rotación de las enormes aspas. Sin embargo, lo que más le entusiasma es el futuro: actualmente la empresa está probando formas de producir hidrógeno a partir de agua de mar, una fuente de energía que, según él, será “completamente benigna” para el medio ambiente.

Hasta ese día, Dorrell sigue alabando la energía eólica. Mientras que los combustibles fósiles requieren que los productores de energía reinviertan continuamente mientras los pozos se secan y se ven obligados a encontrar nuevos suministros, el viento es el regalo que sigue dando.

"Es cierto que la fabricación es un poco difícil, al igual que meterlos en el agua, pero una vez que se ha pagado la inversión, todo es salsa", dijo Dorrell.

“Con un poco de mantenimiento rutinario, siguen girando y girando durante varias décadas. Y gracias a una nueva tecnología que hemos desarrollado, ahora podemos reciclar las palas y reutilizar los materiales en lugar de enterrar todo en un vertedero como ha sido el caso. Es verdaderamente una fuente de energía verde y seguirá mejorando a medida que pasen los años”.

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