Grandes piezas, grandes metas energéticas

La fabricación aditiva (FA) ofrece nuevos enfoques que podrían poner viento en las velas del sector de energía limpia de Estados Unidos, que debe impulsar la producción de componentes muy grandes para equipos de energía eólica, nuclear e hidroeléctrica.

Los objetivos agresivos de energía renovable están expandiendo los mercados de energía limpia, pero actualmente la demanda supera las capacidades de fabricación nacionales.

Abordar estas brechas adquiere una nueva urgencia ya que Estados Unidos busca satisfacer el 35 % de sus necesidades de electricidad a través de la energía eólica para 2050, más de tres veces y media lo que el viento contribuye hoy.

Abordar este desalentador desafío de la cadena de suministro requiere capacidades que actualmente no existen, y las técnicas de AM, que se consideran con mayor frecuencia para piezas pequeñas e intrincadas, pueden ser la clave para desbloquear el potencial de fabricación de EE. UU. para estos componentes metálicos masivos. Para que esto sea una realidad para las turbinas eólicas, se necesitan más avances para aumentar las tasas de deposición de metal AM y reducir el costo del material impreso.

Las piezas fundidas a escala industrial, como las piezas fundidas de acero que superan las 10 toneladas, son un cuello de botella en el aumento de la producción de piezas de turbinas eólicas, incluidos cubos de rotor, placas de base y estructuras de soporte. La escala es enorme y crece tanto en tamaño como en peso a medida que la industria continúa expandiéndose hacia las turbinas eólicas marinas.

Los costos de mano de obra relacionados con la fundición en arena de grandes componentes metálicos llevaron a los fabricantes estadounidenses a comenzar a comprarlos de fuentes extranjeras hace años.

Solo una fundición estadounidense sigue siendo capaz de manejar las piezas más grandes necesarias para la energía eólica marina, con una capacidad limitada de EE. UU. para mecanizarlas en su forma final. Actualmente, el tiempo de entrega es de seis meses a más de un año para adquirir componentes metálicos grandes críticos. Enviarlos desde el extranjero genera una gran huella de carbono, además de ser costoso y lento. La dependencia de componentes extranjeros también crea la posibilidad de un único punto de falla en la cadena de suministro de energía eólica estadounidense.

Una alternativa es fabricar aditivamente estas piezas grandes y luego terminarlas usando máquinas herramienta automatizadas guiadas por un software de fabricación computarizado. Los beneficios son claros: AM ofrece más flexibilidad y complejidad de diseño que la fundición tradicional, y las estrategias de optimización de topología habilitadas por la impresión 3D pueden ofrecer una reducción de peso significativa.

Las impresoras multieje pueden rotar una pieza para imprimir diferentes partes y alcanzar diferentes ángulos, evitando problemas de distorsión por gravedad que tenían diseños limitados en el pasado. Al combinar la impresión fuera del plano de varios ejes con múltiples cabezales de deposición robóticos, la gama de geometrías que se pueden producir se amplía drásticamente.

A diferencia de la fundición convencional, este tipo de impresión 3D permite la creación de características internas complejas, como estructuras de celosía, líneas hidráulicas integradas y rutas de cables eléctricos. También reduce el tiempo de impresión al dividir la fabricación entre múltiples sistemas que trabajan simultáneamente en el mismo objeto.

Un sistema AM llamado MedUSA en la Instalación de Demostración de Manufactura (MDF) del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) utiliza tres robots, cada uno con seis grados de libertad de movimiento.

MedUSA puede imprimir más de 54 libras de metal por hora o imprimir con diferentes materiales simultáneamente. Las piezas que produce requieren herramientas personalizadas mínimas en comparación con las piezas fabricadas tradicionalmente, aunque por lo general todavía se necesita el acabado.

Próximamente se instalará una gran máquina herramienta para trabajar en conjunto con MedUSA, terminando las piezas impresas para que se ajusten a las tolerancias exactas del diseño. Muy pocas instalaciones en el mundo pueden ofrecer esta combinación de capacidades para componentes grandes. Debido a que gran parte del proceso está automatizado, los costos de mano de obra son mucho menores que para la fundición tradicional.

"Nuestra investigación está analizando cómo se combina la fabricación aditiva con el paso de acabado de metales, para que trabajen juntos de manera eficiente", dijo el investigador de ORNL, Joshua Vaughan. "¿Cómo se imprimen piezas para que se terminen fácilmente para una aplicación final y qué ventajas ofrece eso?"

Varios equipos están trabajando para responder a estas preguntas y están diseñando sistemas de control flexibles que permiten que el proceso funcione a múltiples escalas y en diferentes entornos. También están examinando cómo afecta el aumento de escala a las propiedades del material impreso. Y se están realizando experimentos para demostrar que la combinación de AM para obtener una forma casi final con el mecanizado puede producir un componente con la misma calidad que una pieza fundida y terminada tradicionalmente.

Otros investigadores han impreso piezas de metal más pequeñas, como un nodo de esqueleto, que sirve como unión de carga entre las vigas estructurales dentro de la góndola de una turbina eólica. Una nueva estructura de armadura interna promete reducir la masa del nodo y el tiempo de impresión manteniendo la misma resistencia del material.

Para que los métodos AM compitan con la fundición extranjera, tanto la calidad como el precio de los componentes deben ser comparables. Los costos de AM se compensan en cierta medida con los ahorros en mano de obra y transporte. Aunque EE. UU. tiene fuentes nacionales para equipos AM, polvos metálicos y alambres de impresión, los metales utilizados en la impresión 3D son caros en comparación con los que se utilizan en la industria eólica.

Debido a esto, la investigación debe enfocarse en materiales de menor costo. Una nueva técnica prometedora que está explorando ORNL es el uso de un sistema de electroescoria con una materia prima de tiras de metal comercial asequible para imprimir grandes piezas fundidas de energía renovable. Este sistema puede lograr una tasa de construcción cercana a las 110 libras por hora por cabezal de impresión.

Para los grandes componentes eólicos distintos de las piezas fundidas de metal, el transporte sigue siendo un desafío que puede compensarse con la impresión automatizada in situ. ORNL, en asociación con General Electric, demostró la viabilidad de la impresión 3D de grandes torres de hormigón en el campo. Agregar altura a estas estructuras proporciona un mayor acceso al viento pero requiere una base aún más grande. Estas piezas no solo son pesadas, sino también logísticamente difíciles de mover debajo de puentes oa través de túneles. AM ofrece posibilidades móviles e in situ incluso en ubicaciones remotas.

Si bien la impresión AM de grandes piezas fundidas de metal pesado y torres de hormigón se encuentra en una etapa más temprana de desarrollo, se han logrado más avances en la creación de piezas compuestas más ligeras para el sector eólico. Hace cinco años se imprimieron grandes moldes de infusión al vacío en MDF para producir álabes de turbina.

Una innovación más reciente utiliza AM para mejorar los moldes coextruyendo alambre con la matriz polimérica. La corriente eléctrica que pasa a través del cable genera calor resistivo, lo que permite que la resina se cure dentro del molde de la hoja. Este enfoque podría reemplazar un paso que requiere mucha mano de obra en el proceso de producción actual: un equipo de técnicos envuelve y une manualmente alambre tejido en un patrón sobre la superficie posterior de un molde que tiene más de 160 pies de largo.

AM se puede utilizar para mejorar tanto la producción como el diseño de palas. Los enfoques novedosos ofrecen el potencial para mejorar el rendimiento estructural y reducir el peso de algunos componentes. Por ejemplo, ORNL demostró la impresión aditiva de una estructura interior en forma de panal de 10 pies para una pequeña pala eólica.

La próxima generación de esos esfuerzos, en marcha a través de una asociación entre ORNL y GE, está creando un proceso altamente automatizado que utiliza compuestos termoplásticos totalmente reciclables. Puede imprimir un refuerzo estructural acoplado a una piel compuesta termoplástica para producir puntas de palas de turbinas eólicas de 40 pies de largo. Los materiales, la velocidad y el tamaño se mejoran constantemente en el laboratorio.

"Queremos que las cosas sean precisas, rápidas y confiables", dijo Dan Coughlin, líder de colaboraciones industriales en la División de Ciencias de Manufactura de ORNL.

"Estamos sacando AM de su caja habitual y convirtiéndolo en algo que puede imprimir piezas más grandes que la impresora". Los investigadores de ORNL continuarán trabajando en estos desafíos con socios industriales en MDF, una instalación de 100 000 pies cuadrados (9290 metros cuadrados) para el desarrollo de capacidades integradas en materiales, software y sistemas. La instalación para usuarios del Departamento de Energía es un trampolín para mover las innovaciones de fabricación desde el desarrollo hasta la implementación.

Muchas nuevas tecnologías de FA desarrolladas para la energía eólica, particularmente relacionadas con la AM híbrida/fundición y acabado, también podrían aplicarse a piezas metálicas grandes para reactores nucleares o centrales hidroeléctricas. Los avances en la investigación son vitales para que la fabricación aditiva aproveche esta oportunidad histórica de traer más manufactura de regreso a los EE. UU. mientras ayuda a frenar el cambio climático.

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