Los estudiantes de Maestría de la Universidad del Estado de Pensilvania obtienen experiencia de fabricación aditiva con 3DXpert y Software Geomagic

El instituto académico líder colabora con 3D Systems para proporcionar a sus estudiantes experiencia práctica en fabricación aditiva, desde el escaneo a CAD hasta el postprocesamiento.

La Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), uno de los principales institutos académicos en investigación y educación para tecnologías de fabricación aditiva (AM), ofrece un programa único de Maestría en Ingeniería en Fabricación y Diseño Aditivo (MEng AMD). Una de las cosas que hace que este programa sea único es que está disponible para estudiantes en el campus e ingenieros en funcionamiento en línea a través de Penn State World Campus. Para ayudar a los estudiantes a convertirse en expertos técnicos que aportan valiosos conocimientos de AM a sus lugares de trabajo, el programa combina conocimientos teóricos multidisciplinarios con experiencia práctica adquirida en las instalaciones de Penn State AM. Todos los estudiantes, la mayoría de los cuales están trabajando para empresas líderes que están en diferentes etapas de la incorporación de AM en sus instalaciones, deben tomar un curso de laboratorio práctico donde experimentan todo el flujo de trabajo de AM, desde escaneo a CAD, para diseñar, para construir preparación, a 3D impresión, inspección, postprocesamiento.

“Seleccionar las herramientas para el curso de laboratorio fue un verdadero desafío”, dice el profesor Timothy W. Simpson, director del Programa de Posgrado de Fabricación y Diseño Aditivo y codirector del Centro para el Procesamiento de Materiales Innovadores a través de Direct Digital Deposición (CIMP-3D). “Por un lado, queremos que experimenten las herramientas de software más profesionales que encontrarán en su lugar de trabajo y les darán una buena experiencia práctica. Por otro lado, las herramientas deben ser relativamente fáciles de aprender y usar debido al tiempo muy limitado que los estudiantes pueden pasar en el campus”, añade el profesor Simpson.

“Encontramos que la edición educativa 3DXpert, Geomagic Design X y Geomagic Control X son las soluciones de software más adecuadas para enseñar a nuestros estudiantes lo que se necesita para escanear un modelo, prepararlo y optimizarlo para imprimirlo e inspeccionarlo”, dice Guha Manogharan, PhD, profesor asistente de ingeniería mecánica en Penn State que lleva a cabo el curso práctico de laboratorio. “Tanto el personal del curso como los estudiantes quedaron súper impresionados con las capacidades y la facilidad de uso de 3DXpert, Geomagic Design X y Geomagic Control X”, añade el profesor Manogharan.

Redesigned Sterling engine models prepared and optimized using 3DXpert® software and printed with the ProX® DMP 320 metal 3D printer by students of the Penn State Master of Engineering in Additive Manufacturing and Design (MEng AMD) program. Redesigned, 3D-printed Sterling engine model on the left and original Sterling engine model on the right

AM en acción: del concepto a un modelo de trabajo

Redesigned Sterling engine model prepared and optimized in 3DXpert® softwareUno de los proyectos del curso de laboratorio fue imprimir un motor Sterling en funcionamiento, basado en metal, simulando un ejemplo real de mejorar un ensamblaje funcional existente para AM. Los estudiantes escanearon modelos de motor Sterling en funcionamiento utilizando software de ingeniería inversa como Geomagic Design X como punto de partida en lugar de empezar desde cero, y luego crearon un modelo sólido paramétrico, basado en características, editable e importarlo al sistema CAD.

Los criterios de aprobación/fallo consistían en lograr un modelo de trabajo que igualara o superara el rendimiento del modelo original, como RPM de rotación (rotaciones por minuto) al tiempo que integraba beneficios de AM, como la consolidación de piezas y la reducción de peso. Los estudiantes tuvieron que implementar técnicas avanzadas de diseño y fabricación de AM de metal, desde estructuras de celosía de volumen utilizando diferentes velocidades y potencia láser hasta operaciones de postprocesamiento.

Esquema del proyecto para el curso de laboratorio práctico de Penn State AM

Los estudiantes —Joseph Fisher, Ryan Henderson, Adnen Mezghani, Nicholas Nace y Nate Watson— completaron los siguientes pasos para el proyecto:Heat exchanger redesigned in 3DXpert® software

  1. Escaneado un modelo Sterling en funcionamiento y/o utilizauna una MMC (máquina de medición de coordenadas) para ingeniería inversa con Geomagic Design X.
  2. Se cargaron los datos del modelo paramétrico en el software CAD para procesarlos y diseñarlos.
  3. Datos CAD nativos cargados (B-rep) a 3DXpert.
  4. Realización de comprobaciones de imprimibilidad y preparadas para impresión con 3DXpert.
  5. Imprimió un prototipo del modelo CAD utilizando una impresora 3D de plástico para confirmar que las características nominales y de montaje eran precisas y obtener una prueba de concepto.
  6. Preparado y optimizado el modelo CAD para la impresión 3D de metal utilizando 3DXpert:Lattice-based foundation redesigned in 3DXpert® software
    -Comprobaciones de imprimibilidad realizadas.
    -Se ha añadido el material que se eliminará durante el postprocesamiento (desfase de mecanizado).
    -Establezca la orientación óptima de la pieza para la impresión.
    -Estructuras de celosía usadas para reducir el uso general del material y mejorar el atractivo estético.
    -Establezca estructuras de soporte para eliminar la deformación.
    -Piezas personalizadas mediante la adición de etiquetas.
    -Establezca los parámetros de impresión y los cortes en rodajas.
    -Piezas dispuestas en la bandeja de construcción.
    -Enviado a imprimir.
  7. Imprimió el modelo optimizado en titanio (Ti6Al4V) y acero inoxidable (316L) en la impresora 3D Systems ProX DMP 320 ubicada en el laboratorio CIMP-3D en Penn State.
  8. Realizó las operaciones de postprocesamiento necesarias para finalizar cada componente AM.
  9. Montado los componentes del motor Sterling.
  10. Inspeccionó la compilación utilizando software de inspección como Geomagic Control X para verificar que coincidió con el diseño previsto.
  11. Comparó el modelo AM con el modelo original operando el motor y midiendo su rendimiento.

Resultado del proyecto

La parte más importante de este ejercicio fue una clara comprensión de la importancia del diseño para la fabricación aditiva (DfAM) y la preparación y optimización de un modelo antes de enviarlo a imprimir. Los estudiantes experimentaron el impacto de tener en cuenta las consideraciones de AM durante la fase de diseño y las decisiones de diseño sobre las operaciones de post-procesamiento.

Todos los equipos cumplieron con los criterios de apaso para el curso y consolidaron sustancialmente las piezas en cada diseño del motor al reducir drásticamente el volumen y la masa (peso) utilizando menos piezas que en el original. A pesar de que los estudiantes tenían un tiempo muy limitado para optimizar el proyecto y poca o ninguna experiencia en operaciones de post-procesamiento, fueron capaces de lograr resultados de rendimiento que coinciden con los dos modelos originales con un menor peso y menos piezas y pasos de montaje. Un equipo redujo el número de piezas en un 45,8 por ciento y ahorró un 43,3 por ciento de peso. Un segundo equipo redujo el número de piezas en un 21,8 por ciento, pero ahorró un 71,6 por ciento de peso.

Pasar por un escenario de la vida real para rediseñar una parte para AM fue una gran experiencia de aprendizaje para los estudiantes. A medida que pasaban por todo el flujo de trabajo de AM, fueron capaces de apreciar el papel crítico de las diferentes capacidades en el software AM.

Añade que señalaron especialmente las siguientes capacidades:

  • Capacidad para generar un escaneo de datos de nube de puntos a una parte de ingeniería inversa de geometrías complejas rápidamente.
  • Libertad para trabajar con formatos CAD nativos como STEP o IGES y aplicar celosía directamente a cualquier característica del modelo como una ventaja importante. Los estudiantes aprendieron a apreciarlo aún más cuando tuvieron que implementar algunos cambios sin tener que empezar a modelar desde cero.
  • Capacidad para crear soportes y controlar los soportes para lograr los resultados deseados, como minimizar el postprocesamiento y eliminar los soportes en superficies críticas.

Con la creciente demanda de conocimientos profesionales de AM, el número de estudiantes inscritos en el programa MEng AMD está en constante crecimiento, y Penn State continuará expandiendo el uso de 3DXpert, Geogmagic Control X y Geomagic Design X en su plan de estudios.