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.

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.”