Optimización de topología e impresión 3D directa de metal (DMP) en GE Aircraft Engine Bracket Challenge

Producto: Impresión DMP
Industria: Aeroespacial y Defensa

El software Frustum Inc. y la experiencia en impresión directa de metales de 3D Systems reducen el peso del soporte de los aviones un 70% mientras cumplen con todos los requisitos funcionales El enigma de equilibrar el diseño de una pieza con las limitaciones de la fabricación ha existido desde la Revolución Industrial. Las técnicas de fabricación convencionales tienen capacidades limitadas para realizar geometrías complejas o componentes de forma orgánica de una manera rentable.

Esto da lugar a menudo en componentes donde la funcionalidad y el rendimiento son una compensación. Ahora que la impresión 3D, especialmente la impresión directa de metales (DMP), se ha convertido en una alternativa de fabricación viable, las restricciones impuestas por la fabricación tradicional se han eliminado en gran medida. En respuesta a esto, ahora están surgiendo herramientas de software para la optimización de diseño multidisciplinar para ofrecer un punto de convergencia. El software de optimización de topología ahora es capaz de generar los diseños más eficientes para la fabricación en un solo paso en la última generación de sistemas DMP. ¿Traducción? Lo que modelas es lo que fabricas. Esta confluencia de tecnologías se demostró recientemente en un proyecto llevado a cabo por la empresa de software Frustum y el servicio de piezas bajo demanda de 3D Systems, Quickparts. El proyecto fue un desafío publicitado por GE Aircraft para reducir el peso de un soporte de aeronave mientras mantiene la fuerza necesaria para satisfacer todos sus requisitos funcionales, apoyando principalmente el peso del encogimiento mientras el motor está en servicio.

La naturaleza crítica del peso

Desde el comienzo de los viajes motorizados por tierra, aire o mar, los ingenieros se han esforzado por equilibrar las exigencias del peso frente a la fuerza. La ley de equilibrio se ha vuelto más crítica en los últimos años con una mayor competencia manufacturera mundial, medidas más estrictas de conservación de la energía, aumento de las presiones de costos y tiempo de entrega. El peso es especialmente crucial para los aviones modernos. Aunque un Boeing 737 pesa aproximadamente 65 toneladas métricas, eliminar sólo una libra de peso puede generar ahorros de cientos de miles de dólares cada año para las compañías aéreas. Distribuya esa cifra para incluir todos los aviones en todo el mundo y los ahorros son superiores a los 10 millones de dólares, según un libro blanco de GE Aircraft.

Optimización del diseño

Para el desafío GE Aircraft, el software de Frustum para la optimización de la topología proporcionó los primeros pasos para abordar problemas críticos de peso frente a fuerza. La optimización de topología determina el diseño de material más eficiente para satisfacer los requisitos de rendimiento exactos de una pieza. Tiene en cuenta el espacio permitido, las condiciones de carga de la pieza y las tensiones máximas permitidas en el material. El software de Frustum genera automáticamente geometrías optimizadas a partir de archivos CAD existentes.

Crea material entre las características de diseño para hacer estructuras óptimamente rígidas y ligeras. Las superficies lisas y mezcladas reducen el peso y minimizan las concentraciones de tensión. “Basado en un diseño de piezas convencional existente, nuestro software produce automáticamente geometría optimizada para la fabricación aditiva, sin necesidad de realizar ninguna remodelación”, dice Jesse Blankenship, CEO de Frustum. A diferencia de las piezas fabricadas por métodos CNC o de fundición tradicionales, la complejidad del modelo generado por la optimización de la topología no es preocupante, ya que DMP maneja modelos extremadamente complejos tan fácilmente como los simplistas. La complejidad no tiene costo alguno.

Proporcionar la experiencia en impresión 3D

Una vez generado el diseño inicial, la experiencia de 3D Systems entró en juego. Quickparts, el servicio de fabricación bajo demanda de 3D Systems, es el proveedor líder mundial de piezas únicas y diseñadas a medida, que ofrece citas instantáneas en línea, experiencia en diseño e impresión 3D y soporte de servicios de fabricación probados.

Este servicio mundial está especialmente versado en los aspectos más complicados de la impresión directa de metales. “La impresión directa de metales es mucho más compleja que la impresión de plásticos”, dice Jonathan Cornelus, gerente de desarrollo de negocios de Quickparts de Sistemas 3D. “Ayudamos a nuestros clientes a desarrollar piezas adecuadas para DMP, con riesgos minimizados para distorsiones de piezas o bloqueos de construcción. Imprimimos componentes utilizando parámetros optimizados basados en nuestra experiencia a largo plazo en la impresión de piezas para los clientes.”

Fabricación de una mejor parte

En el caso del soporte de la aeronave GE, el software de Frustum tomó el archivo CAD original y realizó la optimización de topología en un solo paso, entregando un archivo STL. 3D Systems proporcionó asesoramiento de fabricación sobre el proceso, las especificaciones de los materiales, la mejor orientación de construcción para ofrecer propiedades óptimas de la pieza, tolerancias alcanzables e identificado el riesgo potencial de deformaciones.

La pieza fue construida sobre un sistema 3D Systems ProX™ DMP 320. El ProX DMP 320, introducido a principios de enero de 2016, ofrece varias ventajas para optimizar el peso frente a la fuerza para el soporte del avión. Los parámetros de compilación preestablecidos, desarrollados por sistemas 3D basados en el resultado de casi medio millón de compilaciones, proporcionan una calidad de impresión predecible y repetible para casi cualquier geometría.

Una arquitectura totalmente nueva simplifica la configuración y ofrece la versatilidad para producir todo tipo de geometrías de piezas en titanio, acero inoxidable o súper aleación de níquel. Titanio fue elegido para el soporte de avión GE, basado en su fuerza superior incluso cuando el material se aplica finamente para bajar el peso de una pieza. Los módulos de fabricación intercambiables para el sistema ProX DMP 320 reducen el tiempo de inactividad al moverse entre diferentes materiales de pieza, y una cámara de construcción de vacío controlada garantiza que cada pieza esté impresa con propiedades probadas de materiales, densidad y pureza química. La pequeña porción de material no impreso se puede reciclar por completo, ahorrando dinero y proporcionando beneficios ambientales.

Un abridor de ojos

La pieza completada, diseñada por Frustum y DMP fabricada por sistemas 3D, superó todos los requisitos de condición de carga especificados por el desafío GE y se mantuvo dentro de la misma huella mientras reducía el peso en un asombroso 70 por ciento. “Este es el tipo de proyecto que debería ser un verdadero revelador para las empresas automotrices y aeroespaciales, donde reducir el peso al tiempo que proporciona la misma o mejorada funcionalidad es el alma de sus operaciones de diseño, ingeniería y fabricación”, dice Cornelus.

Más allá del diseño y el rendimiento de la pieza en sí, Cornelus señala que la optimización de la topología asociada con DMP a menudo puede consolidar ensamblajes de varias partes en una sola parte más fuerte, eliminando sujetadores y conectores que a menudo son la causa de errores. Por último, está la codiciada ventaja de la velocidad. Las piezas de calidad de producción en materiales resistentes como acero inoxidable, titanio y súper aleación de níquel pueden ser giradas por sistemas 3D en tan solo dos semanas para satisfacer el ritmo cada vez más rápido en innumerables industrias.