DMP (casos) – Goaltech Engineering Solutions

Experiencia en diseño y fabricación aditiva de 3D Systems para servir al subsistema de satélites Thales Alenia Space

Producto: DMP
Industria: Aeroespacial y Defensa

3D Systems colabora con Thales Alenia Space en el campo del diseño para la fabricación aditiva (DfAM) para mejorar el rendimiento de un subsistema crítico en su satélite Spacebus NEO. El mecanismo de propulsión eléctrica resultante (ETHM) se compone de siete soportes diferentes fabricados de forma aditiva. La fabricación aditiva (FA) permitió empaquetar el mecanismo en un volumen limitado con la masa más baja posible. Los expertos del Grupo de Innovación de Aplicaciones de 3D Systems contribuyeron con su conocimiento de diseño y fabricación al proyecto ETHM de Thales Alenia Space, integrando su experiencia en los archivos de construcción finales que se transfirieron a las instalaciones de producción AM de Thales en Marruecos.

“Cada característica es más o menos convencional, pero reunirlas en un solo mecanismo compacto y competitivo es realmente un desafío”.
Gilles Lubrano, Gerente de Producto de ETHM

OPTIMIZAR EL SUBSISTEMA DE SATÉLITE CRÍTICO PARA PRECISIÓN Y CONFIABILIDAD

Siete componentes impresos en metal del ETHM de Thales Alenia Space

Los siete diferentes brackets fabricados aditivamente que componen el ETHM.

El mecanismo Electrical THruster apunta la propulsión satelital del satélite Spacebus NEO para posicionarlo correctamente en el espacio. Como tal, la confiabilidad de este componente es de misión crítica. Se requieren cuatro ETHM por satélite, formando el chasis alrededor de los motores. Estas partes funcionan como cardanes de dos ejes que sostienen la unidad de propulsión eléctrica y le permiten moverse con movimientos suaves y constantes.

Para cumplir con los requisitos de Thales Alenia Space , el ETHM necesitaba equilibrar las limitaciones de volumen y masa al mismo tiempo que cumplía con las estrictas especificaciones de rendimiento, que incluyen:

Precisión de puntería de alto ángulo (0,1 grados);
Reducción del recuento de piezas, incluida la integración funcional de varios productos básicos de propulsores (arnés y tuberías);
Producción en serie que cumple con los requisitos de calidad para productos de clase orbital.

CONSULTORÍA Y COLABORACIÓN PARA PRODUCCIÓN ESCALABLE

Los expertos de 3D Systems ayudaron a Thales Alenia Space a lograr una relación resistencia-peso optimizada mientras resolvían las áreas de concentración de calor para proteger los componentes funcionales del daño térmico.

Consulta de diseño para fabricación aditiva

Thales Alenia Space y 3D Systems tienen una asociación de colaboración duradera y han trabajado juntos para poner en órbita más de 1700 piezas aptas para volar a partir de 2021. En el proyecto ETHM, Thales Alenia Space se asoció con el Grupo de innovación de aplicaciones (AIG) de 3D Systems para combinar varios funciona dentro de un pequeño espacio de diseño al tiempo que garantiza una dinámica precisa.

El volumen dinámico total asignado para el ETHM es de 480 mm x 480 mm x 380 mm e incluye actuadores giratorios, arnés, tubería y un mecanismo de sujeción. 3D Systems proporcionó comentarios sobre la capacidad de fabricación y el diseño para ayudar a Thales Alenia Space a alcanzar sus objetivos de rendimiento. Los expertos de 3D Systems ayudaron a Thales Alenia Space a lograr una relación resistencia-peso optimizada mientras resolvían las áreas de concentración de calor para proteger los componentes funcionales del daño térmico.

Al utilizar AM para diseñar y producir un sistema, Thales Alenia Space desencadenó una expansión de impactos positivos. El peso ligero mejoró la eficiencia de empuje más allá de lo que permitiría la fabricación convencional, lo que a su vez mejoró la eficiencia del combustible, lo que resultó en costos más bajos y nuevas oportunidades para la innovación técnica en otros lugares.

Desarrollo del flujo de fabricación

3D Systems ayudó a Thales Alenia Space a desarrollar un sólido flujo de fabricación que comprende procesos posteriores como el acabado CNC y la inspección tomográfica al 100 % para garantizar la repetibilidad del producto y del proceso en un entorno controlado por AS9100. Los ingenieros de aplicaciones de 3D Systems también brindaron orientación sobre el nivel y la secuencia de los controles de calidad para la mitigación de riesgos para ayudar a Thales Alenia Space a garantizar un flujo de fabricación completo, orientado a la calidad y rentable.

Esta experiencia ayudó a Thales Alenia Space a lograr la precisión de puntería de 0,1 grados requerida con un riguroso flujo de trabajo de inspección y CNC en el que algunas piezas tienen hasta 249 puntos de medición tomados a través de una máquina de medición por coordenadas que debe cumplir con las especificaciones. El enfoque colaborativo de 3D Systems incluyó educación sobre la tecnología a lo largo del proceso de controles de calidad integrados, así como análisis de la causa raíz de las no conformidades con las especificaciones de Thales Alenia Space para garantizar el éxito. Antes de la transición de la producción a Thales Alenia Space, 3D Systems ayudó a organizar y coordinar la mejor cadena de suministro de su clase para cumplir con la producción en serie y produjo más de 70 piezas en su Centro de innovación para clientes en Bélgica, que forma parte de AIG de 3D Systems. La alta capacidad de esta instalación y la repetibilidad en las máquinas DMP de 3D Systems ayudaron a garantizar un tiempo de entrega breve.

Componente ETHM de Thales Alenia Space en abrazadera para medición

Algunas partes del ETHM tienen hasta 249 puntos de medición tomados a través de una máquina de medición coordinada que debe cumplir con las especificaciones.

Preparación y transferencia de archivos de impresión

Para garantizar una transición perfecta de la producción de ETHM a Thales Alenia Space, los ingenieros de aplicaciones de 3D Systems desarrollaron cada archivo de impresión en 3DXpert® , ^incorporando años de experiencia en AM que ahorraron tiempo y dinero a Thales Alenia Space y garantizaron la calidad. Con estos archivos de construcción generados por expertos, la producción repetible es posible en cualquier impresora de metal directa de 3D Systems. Los brackets finales están impresos en material de titanio LaserForm Ti6Al4V grado 23 .

Varios aspectos del diseño del mecanismo de propulsión hicieron que la orientación de 3D Systems sobre la estrategia de impresión fuera particularmente valiosa, entre ellos:

Mantener la redondez prevista de varias estructuras abiertas con grandes interfaces circulares.
Equilibrio de la fuerza del soporte con la capacidad de remoción.
Contabilización de las tensiones térmicas durante el proceso de impresión que varían según la geometría y el material impreso.

La experiencia de 3D Systems trabajando con materiales de titanio ha ayudado a innumerables aplicaciones críticas a equilibrar la complejidad y la fuerza para lograr los parámetros del proyecto. Herramientas como el módulo de simulación 3DXpert de 3D Systems ayudan a respaldar estos proyectos al reducir la cantidad de iteraciones necesarias para lograr un resultado exitoso.

Transferencia de Tecnología

Primer plano de los componentes ETHM de Thales Alenia Space

Los brackets finales están impresos en material de titanio LaserForm Ti6Al4V grado 23.

Thales Alenia Space ahora puede imprimir estas piezas en sus propias instalaciones gracias a la formación y la transferencia de tecnología que 3D Systems ha proporcionado a lo largo de los años. La fábrica 3D del grupo Thales en Marruecos está equipada con varias máquinas DMP de 3D Systems y aprovechó la oferta de transferencia de tecnología de 3D Systems en el momento de la instalación. La transferencia de tecnología es una formación exhaustiva específica de AM diseñada para ayudar a los nuevos clientes de impresoras a acelerar su transición a AM y salvaguardar su inversión. En combinación con los archivos de construcción predesarrollados, 3D Systems ha apoyado completamente a Thales en su transición a la producción interna.

“Usando las mismas máquinas que las de nuestro Centro de Innovación para Clientes en Bélgica, Thales ha simplificado su acceso a una impresión exitosa para que su equipo pueda enfocarse en la industrialización de AM y maximizar su retorno de la inversión”, dijo Koen Huybrechts, Gerente de Desarrollo de Aplicaciones. , Grupo de innovación de aplicaciones, 3D Systems.

EQUILIBRIO DE CRITERIOS CLAVE DE RENDIMIENTO PARA UN DISEÑO OPTIMIZADO A NIVEL DEL SISTEMA

ETHM es uno de los primeros mecanismos de espacio completo diseñado íntegramente teniendo en cuenta la fabricación aditiva. Los siete soportes diferentes optimizados topológicamente elevaron los estándares de un equipo multidisciplinario por su tamaño, la alta precisión requerida y la criticidad del sistema.

La precisión de puntería de 0,1 grados garantiza que el mecanismo funcione como se espera en vuelo
Mayor eficiencia del propulsor gracias a la reducción del peso de los soportes topológicamente optimizados
249 puntos de medición validados para el control de calidad de la pieza más compleja
Integración y protección de los productos básicos del propulsor para una forma y función óptimas

El Spacebus NEO es parte del Programa de Investigación Avanzada en Sistemas de Telecomunicaciones (ARTES) de 15 años de duración de la Agencia Espacial Europea.

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Rodin Cars utiliza la impresión 3D para producir cajas de cambios de titanio para Ultimate Hypercar

Producto: DMP
Industria: Automotriz y Transporte

Rodin Cars, un fabricante de automóviles con sede en Nueva Zelanda, está utilizando la impresora 3D de metal DMP Factory 500 a gran escala de 3D Systems para producir los componentes de titanio de su nuevo automóvil de pista a medida, el Rodin FZERO. Con el rendimiento y la calidad liderando cada decisión de ingeniería, el automóvil se fabrica principalmente con fibra de carbono y titanio. La fabricación aditiva de metal (AM) de 3D Systems fue seleccionada como el método de producción para todos los componentes complejos de titanio para permitir que Rodin Cars avance en el diseño y el rendimiento de cada pieza, independientemente del tamaño, incluida la caja de cambios secuencial de ocho velocidades, una primicia en la industria.

“Nuestro objetivo era hacer que cada componente de este automóvil fuera lo mejor posible. El Rodin FZERO solo se puede fabricar con fabricación aditiva”.
Adam Waterhouse, ingeniero principal, Rodin Cars

Las principales prioridades de Rodin Cars eran optimizar el peso y la función utilizando un material no corrosivo para mantener el máximo rendimiento y apariencia a lo largo del tiempo.

LOGRAR PIEZAS IMPRESAS DE TITANIO DE ALTA CALIDAD A GRAN ESCALA

Con un peso final de solo 650 kilogramos y una producción de 4.000 kilogramos de carga aerodinámica, el monoplaza Rodin FZERO (por “restricciones cero”) está diseñado para recorrer un circuito más rápido que un piloto de Gran Premio de Fórmula Uno actual. Con la ingeniería que cambia la industria incorporada en cada componente, Rodin Cars tenía la intención de optimizar a fondo para ofrecer el componente definitivo para cada pieza.

Cuando se trataba de utilizar la fabricación aditiva de titanio en todo el automóvil, surgieron desafíos a medida que aumentaban los tamaños de las piezas, especialmente para las piezas grandes. Producir componentes como la caja de engranajes según las especificaciones requería un volumen de construcción más allá de las capacidades de la mayoría de las impresoras de metal. Sin embargo, volver a los métodos convencionales de fundición de la caja de cambios en magnesio no era una opción, ya que tanto el método como el material no alcanzarían los objetivos de Rodin Cars. Para ofrecer el hiperauto definitivo, las principales prioridades de Rodin Cars eran optimizar el peso y la función con AM, y usar titanio por su valor como material no corrosivo de primera calidad que mantendrá el rendimiento y la apariencia máximos a lo largo del tiempo.

Innovación para crear una caja de cambios ligera

El primer paso para optimizar la caja de cambios fue crear un diseño personalizado junto con el reconocido fabricante de cajas de cambios, Ricardo. Luego de un extenso trabajo con 3D Systems después de adoptar AM por primera vez, Rodin Cars compartió su conocimiento adquirido con Ricardo, educándolos sobre los beneficios y capacidades únicos del diseño y la fabricación con aditivos. Rodin Cars necesitaba relaciones de transmisión y dimensiones de caja muy específicas, y sabía que solo podía producir su diseño usando AM. Eliminar el exceso de masa también fue una prioridad principal, produciendo paredes delgadas de hasta 2 mm de espesor en algunas áreas. Las dos empresas colaboraron para diseñar piezas en torno a la geometría optimizada que buscaba Rodin Cars, integrando galerías internas y canales de fluidos para ayudar a reducir el espacio de la caja de cambios final, que mide 400 mm x 650 mm x 300 mm.

Para producir piezas AM de titanio con las dimensiones requeridas y características precisas, Rodin Cars seleccionó la impresión directa en metal (DMP) de 3D Systems por su capacidad única de gran formato y calidad y repetibilidad comprobadas.

La DMP Factory 500 produce piezas excepcionalmente fuertes y precisas con alta pureza química y la repetibilidad necesaria para la producción en serie.

Flujo de trabajo de titanio probado

La optimización de la relación potencia/peso es fundamental para los vehículos de alto rendimiento. Como tal, la capacidad de imprimir los componentes metálicos complejos en titanio fue clave para la misión de Rodin Cars de ofrecer un rendimiento superior y al mismo tiempo eliminar el mayor peso posible en todo el automóvil. La integridad del titanio como material no corrosivo también significa que ni el aspecto ni el rendimiento se degradarán con el tiempo, lo cual era importante para el fundador de Rodin Cars, David Dicker.

Según Adam Waterhouse, ingeniero principal de Rodin Cars, cualquier componente que sea de metal y no un perno se imprime en 3D. “Se imprimieron todos los soportes hasta la caja de cambios”, dijo Waterhouse. “Es una enorme variedad de piezas. Es en gran medida un sistema impreso”. La caja de engranajes de titanio final está impresa en LaserForm Ti Gr23 (A) y pesa solo 68 kilogramos, incluidas las partes internas de acero.

La solución completa para metales de 3D Systems incluye el software 3DXpert, un software todo en uno para preparar, optimizar y administrar el flujo de trabajo de impresión de metales. Para cada uno de los materiales LaserForm de 3D Systems, este software incluye parámetros de impresión ampliamente desarrollados, integrando la experiencia de los ingenieros de 3D Systems en el flujo de trabajo. La arquitectura de sistema única de las máquinas DMP de 3D Systems también está diseñada para permitir el uso total del material sin degradación.

Equipo de Rodin Cars desempaquetando su nuevo DMP Factory 500

DMP Factory 500 es la única solución de fabricación aditiva de metal escalable disponible capaz de producir piezas grandes sin costuras de alta calidad de hasta 500 mm x 500 mm x 500 mm.

Impresión 3D en metal a gran escala

Rodin Cars planeó inicialmente dividir la caja de cambios en varios componentes más pequeños e imprimirlos internamente utilizando sus máquinas ProX DMP 320 heredadas. Para ahorrarles este esfuerzo adicional, el equipo de ingeniería se entusiasmó al conocer la DMP Factory 500 de 3D Systems , la única solución de fabricación aditiva de metal escalable disponible capaz de producir piezas grandes sin costuras de alta calidad de hasta 500 mm x 500 mm x 500 mm. Usando esta nueva plataforma, la caja de cambios se puede producir como un conjunto de solo cuatro secciones que se pueden producir en una sola construcción.

La DMP Factory 500 cuenta con los mejores niveles de oxígeno de su clase (<25 ppm) y una atmósfera de impresión inerte para garantizar piezas excepcionalmente fuertes y precisas con alta pureza química y la repetibilidad necesaria para la producción en serie. Según Waterhouse, esta cualidad se puso a prueba con las cajas de paredes delgadas de la caja de cambios, que miden solo dos milímetros de grosor.

“Estas huellas demostraron ser extremadamente precisas”, dijo Waterhouse. “En nuestra sección más grande, que es enorme, solo hubo un giro de 0,2 grados en la pieza, lo cual es realmente impresionante. Sin mencionar que tenemos todos los beneficios de aditivos con los canales internos y paredes increíblemente delgadas que serían imposibles de lograr de otra manera”.

Experiencia en metal de Application Innovation Group

Para acelerar el acceso a la impresión en metal a gran escala antes de la instalación de su propia DMP Factory 500, Rodin Cars trabajó con Application Innovation Group (AIG) de 3D Systems para imprimir la primera caja de cambios de titanio. AIG de 3D Systems es un recurso global equipado con la experiencia y la tecnología para admitir aplicaciones AM en todas las industrias, y puede asesorar y ayudar en proyectos en cualquier etapa, desde el desarrollo de aplicaciones y la ingeniería de frontend, hasta la validación de equipos, la validación de procesos y la calificación de piezas.

3D Systems ha brindado a Rodin Cars una transferencia constante de conocimiento y tecnología desde que adoptó por primera vez la fabricación aditiva, lo que ayudó a la compañía automotriz a aumentar su comprensión de los principios necesarios para el éxito con el diseño y la producción de AM. Sin embargo, el cambio a un formato de impresión a gran escala requería un nuevo conjunto de mejores prácticas. AIG de 3D Systems proporcionó servicios de ingeniería y desarrollo de aplicaciones para ayudar a Rodin Cars a probar su concepto, incluida la programación final de los cuatro componentes de la caja de cambios y la impresión de la primera caja de cambios. 3D Systems también proporcionó los archivos de construcción programados y la transferencia de tecnología para acelerar el camino de Rodin Cars hacia una exitosa impresión en metal a gran escala luego de la instalación de DMP Factory 500 en las instalaciones de Rodin Cars.

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El equipo Alpine F1 avanza en la gestión de fluidos y energía con un acumulador hidráulico impreso en titanio

Producto: DMP Flex 350
Industria: Automotriz y Transporte

El equipo Alpine F1 recurrió a la fabricación aditiva de metal (AM) para impulsar el rendimiento de su automóvil mediante la producción de un acumulador hidráulico de titanio con funcionalidad completa en un espacio mínimo. Con años de suministro y desarrollo en colaboración con 3D Systems, el equipo Alpine F1 seleccionó la tecnología de impresión directa en metal (DMP) de 3D Systems para producir la pieza compleja y confió en la experiencia y los procesos de limpieza patentados de 3D Systems para garantizar una calidad óptima.

“Más allá de la precisión necesaria de la pieza en sí, teníamos requisitos de limpieza de fluidos muy estrictos para la bobina inversora que solo podían lograrse asociándonos con 3D Systems. Su proceso de limpieza patentado tiene un historial comprobado en aplicaciones de alto rendimiento para entregar componentes libres de partículas, incluso en canales internos desafiantes”.
– Pat Warner, Gerente de Fabricación Digital Avanzada, Equipo Alpine F1

IMPULSA EL RENDIMIENTO CON DISEÑO Y FABRICACIÓN AVANZADOS

Alpine F1 Team mejora continuamente su automóvil, trabajando en ciclos de iteración muy cortos para avanzar y refinar el rendimiento tanto como sea posible. Los desafíos constantes incluyen trabajar dentro del espacio limitado disponible, mantener el peso de las piezas lo más bajo posible y cumplir con las restricciones normativas en evolución.

Los expertos del Grupo de innovación de aplicaciones (AIG) de 3D Systems proporcionaron al equipo Alpine F1 los conocimientos técnicos para hacer posible la producción de titanio para un componente en espiral complejo con una geometría interna desafiante e impulsada por funciones. La fabricación aditiva ofrece una oportunidad única para superar los desafíos de la innovación acelerada mediante el suministro de piezas altamente complejas con plazos de entrega cortos. Para piezas como el acumulador hidráulico del equipo Alpine F1, se requería experiencia AM adicional para una pieza exitosa debido al nivel de complejidad del diseño y los estrictos requisitos de limpieza.

Bobina de inerter impresa en 3D de metal diseñada por Alpine F1 — La fabricación aditiva permitió al equipo Alpine F1 maximizar la longitud de la bobina amortiguadora mientras empaquetaba la funcionalidad completa dentro de un espacio restringido.

01 Funcionalidad compleja del empaque en un espacio limitado

Para el acumulador, específicamente una bobina de inercia de líquido de levantamiento trasero, el equipo Alpine F1 diseñó un amortiguador de línea dura, que es parte de un amortiguador de levantamiento trasero en el sistema de suspensión trasera dentro de la caja principal de la caja de cambios. El acumulador, un tubo largo y rígido, almacena y libera energía para promediar las fluctuaciones de presión. Como tal, el rendimiento del amortiguador de línea se correlaciona con su volumen interno y, por lo tanto, con la longitud del componente.

La fabricación aditiva permitió al equipo Alpine F1 maximizar la longitud de la bobina amortiguadora mientras empaquetaba la funcionalidad completa dentro de un espacio restringido. Según Pat Warner, Gerente de Fabricación Digital Avanzada en Alpine F1 Team, el diseño final sería imposible de producir usando cualquier otro método: “Diseñamos esta parte para que sea tan volumétricamente eficiente como sea posible y para compartir el grosor de la pared entre los tubos adyacentes. Alcanzar este volumen solo es posible con AM”.

La bobina de amortiguación de titanio final se fabricó con DMP Flex 350 de 3D Systems , un sistema AM de metal de alto rendimiento que presenta los mejores niveles de oxígeno de su clase (<25 ppm) y una atmósfera de impresión inerte. La arquitectura de sistema única de las máquinas DMP de 3D Systems garantiza piezas excepcionalmente fuertes y precisas con alta pureza química y la repetibilidad necesaria para las piezas de producción.

02 Limpieza de piezas para un rendimiento impecable

Durante el funcionamiento, la bobina amortiguadora se llena de líquido y compensa las fluctuaciones de presión dentro del sistema absorbiendo y liberando energía. Para que funcione correctamente, el fluido tiene una especificación de limpieza para evitar la contaminación. El uso de AM de metal para diseñar y producir este componente ofreció beneficios considerables en términos de funcionalidad, integración en el sistema más grande y reducción de peso; sin embargo, el equipo enfrentó un desafío cuando se trataba de eliminar completamente el polvo de los canales internos.

Para lograr una evacuación completa del material en estas complejas impresiones metálicas, AIG de 3D Systems contribuyó con su vasto conocimiento del proceso para aplicar un protocolo de limpieza patentado que se ha utilizado con éxito en decenas de miles de piezas y garantiza componentes de titanio libres de partículas. Para los clientes que planean adoptar metal AM y requieren el más alto grado de limpieza de piezas para canales internos, 3D Systems tiene un protocolo establecido para transferir este conocimiento a nuevas instalaciones.

Coche de carreras F1 alpino — Alpine F1 Team trabaja en ciclos de iteración muy cortos para mejorar y perfeccionar el rendimiento de su automóvil tanto como sea posible.

03 Flujo de trabajo de metal de calidad

La completa solución AM de metal de 3D Systems va más allá de su experiencia líder y su plataforma de impresión de metal para incluir materiales cuidadosamente desarrollados y optimizados y el software 3DXpert. 3DXpert es un software todo en uno para preparar, optimizar y administrar el flujo de trabajo de impresión en metal. 

El equipo Alpine F1 seleccionó el material LaserForm Ti Gr23 (A) para su acumulador, citando la alta resistencia y la capacidad de producir con precisión secciones de paredes delgadas como las razones de su elección. Todos los materiales LaserForm tienen parámetros de impresión específicos y ampliamente desarrollados dentro de 3DXper t que combinan la experiencia de los ingenieros de 3D Systems dentro del flujo de trabajo para obtener resultados de la más alta calidad.

04 Consulta de expertos

El equipo Alpine F1 aprovechó el diseño de 3D Systems para la experiencia en fabricación aditiva para acelerar su camino hacia adelante y avanzar en su éxito con orientación sobre la orientación de construcción óptima, espesores de pared alcanzables y cómo compartir paredes entre secciones de paredes adyacentes, así como su experiencia en posprocesamiento. . Como co-desarrollador constante de soluciones innovadoras y pioneras en la industria, el grupo de innovación de aplicaciones de 3D Systems tiene una amplia y profunda experiencia en la transición de aplicaciones de conceptos a fabricación a escala.

3D Systems es socio de cientos de aplicaciones críticas en industrias donde la calidad y el rendimiento son primordiales. El enfoque sistematizado de 3D Systems para escalar desde la creación de prototipos hasta la producción garantiza un camino simplificado hacia piezas AM calificadas, y el líder AM también ofrece transferencia de tecnología para ayudar a los clientes a adoptar con éxito la fabricación aditiva dentro de sus propias instalaciones.

Tras el éxito del acumulador impreso en titanio del Alpine F1 Team, Warner dice que el equipo se animó a buscar componentes de suspensión más complejos el año siguiente.

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3D BREAK (DMP)- Caso 3.01: NuVasive

3D BREAK (DMP)- Caso 1.11: CERN-NIKHEF

Experiencia 3D: Una charla con Kevin McAlea (1/1)

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.

Caso de Éxito (Moldes): Impresora DMP de 3D Systems

NuVasive aprovecha el ecosistema de MA para optimizar la tecnología de implantes de columna vertebral

Producto: Impresión DMP
Industria: Médica

NuVasive vio una oportunidad con la fabricación aditiva (AM) en 2015. La compañía de dispositivos ortopédicos reconoció que la capacidad única de AM para producir formas complejas y optimizadas podría abrir nuevas vías en su diseño y fabricación de soluciones de columna vertebral mínimamente invasivas e integradas procedimentalmente. El único problema era que nadie en la empresa poseía experiencia am.

NuVasive sabía que necesitaba asociarse con un proveedor de servicios y fabricación para el proceso de AM. El resultado de esa colaboración final fue que NuVasive rápidamente capitalizó las ventajas de AM, pasando del diseño al mercado en poco más de un año con el lanzamiento en 2017 de Modulus®, ahora una línea completa de implantes.

Elegir un socio para aumentar la experiencia

Optimized spinal implant by NuVasive produced using 3D printing

Incluso teniendo en cuenta el talento y la experiencia alojados dentro del equipo de NuVasive, el trabajo duro combinado con la innovación estratégica permitió a la empresa diseñar, calificar y llevar al mercado con éxito una familia optimizada de implantes AM en 14 meses. Si se trata de un producto de fabricación sustractiva, esto no sería una sorpresa: NuVasive tiene una planta de fabricación de 180.000 pies cuadrados en West Carrollton, Ohio, donde realiza la fabricación tradicional día a día. AM es otra historia, y la novedad del enfoque de la empresa y su fuerza de trabajo presentó desafíos únicos.

Al darse cuenta de que necesitaban asesoramiento externo, NuVasive identificó por primera vez varios criterios de primera línea para seleccionar a su experto en AM. La calidad y fiabilidad de la tecnología de impresión 3D disponible no eran negociables. La compañía necesitaba soporte de aplicaciones de software para fabricar eficazmente un dispositivo novedoso. Por último, buscó un socio que tuviera credibilidad dentro de la industria am y pudiera crecer junto a NuVasive.

“No estábamos dispuestos a correr ningún riesgo en este sentido”, dijo Jeremy Malik, Director de Desarrollo de Productos de NuVasive.

Después de llevar a cabo una investigación exhaustiva, NuVasive eligió 3D Systems, con su tecnología direct metal printing (DMP) y equipo de ingenieros de aplicaciones y expertos en AM, para comercializar Modulus.

Pasar del concepto a la comercialización

La filosofía de diseño detrás de la línea Modulus era utilizar la nueva tecnología de una manera significativa para entregar un producto final que es innovador, en lugar de nuevo. Según NuVasive, el objetivo de la compañía era proporcionar el implante espinal óptimo sin hacer compensaciones significativas en el proceso.

3D Systems' metal additive manufacturing machines at the Customer Innovation Center in Denver, CO

La línea Modulus equilibra la porosidad con el uso compartido de carga, y cada SKU independiente está optimizada para mejorar la radiolucidez. Esto se logró a través de la optimización topológica, una estrategia de diseño basada en algoritmos que elimina el exceso de material que no sirve para ningún propósito estructural o funcional. Un componente que ha sido optimizado topológicamente es de peso más ligero sin impacto adverso en la fuerza. En el caso de la línea Modulus, la optimización topológica también facilita mejores características de imagen en todas las formas y tamaños de implantes, dando a los cirujanos una mejor visión de la fusión ósea durante el seguimiento. Además, la estructura de celosía optimizada proporciona una arquitectura totalmente porosa que crea un entorno propicio para el crecimiento óseo.

“Queríamos hacer cosas que antes no podíamos hacer”, dijo Malik. “Hay más en este dispositivo que simplemente utilizar una nueva tecnología para llevarla al mercado; utilizamos nueva tecnología para ayudar a impulsar mejores resultados clínicos para los pacientes”.

Juntos, las dos empresas generaron una serie de iteraciones de archivos para diferentes formas en que los dispositivos deseados podían ser impresos, y 3D Systems proporcionó experiencia crítica de la industria en estrategias de impresión, metalurgia y eliminación de polvo residual, entre otros aspectos desconocidos pero impactantes de AM.

“No sabíamos lo que no sabíamos”, dijo Malik. “3D Systems nos ayudó a educarnos sobre el proceso aditivo y trabajó con nosotros para planchar nuestro proceso más allá de la impresión. Tuvimos mucho diálogo abierto, y esa comunicación fue clave para nuestro éxito”.

A través del proceso, NuVasive aprovechó los Centros de Innovación del Cliente (CIC) de 3D Systems. Estas instalaciones, y el acceso a la experiencia que se encuentra dentro de ellas, proporcionan un ecosistema de soluciones am que incluyen capacidades de diseño y fabricación, junto con hardware, software y materiales de primera calidad. Abarcando todo, desde el desarrollo de aplicaciones y la ingeniería front-end, hasta la validación de equipos, la validación de procesos, la calificación y producción de piezas, los CICs de 3D Systems ayudan a las empresas con diversos niveles de experiencia a acelerar la innovación a través de la tecnología aditiva.

Desde el diseño hasta la producción, NuVasive fue capaz de capitalizar lo que la tecnología tenía que ofrecer en términos de mejor funcionalidad sin realizar grandes inversiones iniciales.

Las dos empresas también colaboraron más allá de la optimización del diseño para lograr un flujo de trabajo de producción de AM calificado. A pesar de la trayectoria de NuVasive en la obtención de autorización de la FDA en productos hechos con fabricación tradicional, el uso de un nuevo proceso introdujo desafíos regulatorios únicos.

Según Malik, NuVasive abordó esas cuestiones aprovechando los datos de 3D Systems sobre la reproducibilidad de la fabricación con el fin de reforzar sus justificaciones en su presentación a la FDA.

“3D Systems tenía clientes que limpiaban dispositivos a través de la FDA en el pasado, así que sabíamos que nos asociamos con alguien que tenía experiencia interna para ayudarnos a navegar por estos requisitos”, dijo. “Esa era una buena red de seguridad.”

Integración de aditivos en la cartera

Avanzando rápidamente hasta hoy, NuVasive es un líder de la columna vertebral en AM con una familia totalmente impresa en 3D de implantes de columnas limpias por la FDA en el mercado. La línea Modulus es el resultado de un diseño reflexivo y equilibra los beneficios de los requisitos de porosidad y rendimiento de los dispositivos de fusión entre anticuerpos.

Al final, NuVasive tardó aproximadamente 14 meses en pasar del concepto a la comercialización con su línea de productos Modulus. Aunque se trata de un cronograma bastante estándar para los procesos de fabricación tradicionales, la empresa se mostró entusiasmada de poder mantener el mismo ritmo en su primera aplicación de AM.

“Es un compromiso importante construir su proceso de producción además de diseñar y construir su producto”, dijo Malik. “Estábamos orgullosos de tener la capacidad de desarrollar ambos, y confiamos en 3D Systems para ayudar a construir nuestros conjuntos de datos y justificaciones con el fin de llevarnos al mercado.”

En cuanto a la fabricación e implementación de productos, 3D Systems proporciona flexibilidad en la cadena de suministro y cumple con los pedidos de producción por volumen internamente o a través de socios certificados, así como ayuda a los clientes a pasar a la producción aditiva en sus propias instalaciones a través del conocimiento y la transferencia de tecnología.

NuVasive está empezando a hacer su propia impresión 3D de titanio internamente, y está utilizando la tecnología DMP para la prototipado de I+D, así como para entender mejor cómo funcionan las máquinas para seguir refinando su proceso de producción.

“Ha sido una gran mejora para nosotros tener esa capacidad en el lugar”, dijo Malik. “Ahora tenemos un proceso de fabricación legítimo y escalable y la capacidad de mejora continua en el futuro.”