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#Tendencias de productos
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Cuatro diseños ligeros de la tecnología de impresión 3D en metal
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4 formas en que la fabricación aditiva/impresión 3D ayuda a producir componentes más ligeros
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El diseño y la producción de componentes ligeros -a veces denominados "lightweighting"- es una tendencia creciente en un número cada vez mayor de sectores, como el transporte, las herramientas, la energía y la sanidad.
Como su nombre indica, el aligeramiento es el proceso de construcción de componentes más ligeros, conservando o incluso aumentando su integridad y resistencia. Algunas de las ventajas son:
- Los componentes más ligeros ofrecen una amplia gama de beneficios, desde la mejora de la eficiencia del combustible en el transporte hasta una mayor viabilidad como implantes o prótesis.
- Los componentes suelen ser al menos tan resistentes como los materiales más pesados utilizados anteriormente gracias a los avances tecnológicos y a las mejoras de viabilidad comercial.
- Un uso más eficiente del material y de la energía necesaria para su producción los hace más respetuosos con el medio ambiente y responde a una preocupación creciente tanto de los responsables políticos como de los consumidores.
- Reducción de costes. Menos material por componente significa menos capital por componente.
La fabricación aditiva ayuda a eliminar muchos de los obstáculos a la producción de componentes ligeros. He aquí 4 formas en las que la fabricación aditiva/impresión 3D ayuda a producir componentes más ligeros:
Método I - Estructuras reticulares
La fabricación aditiva hace mucho más accesible el uso y la escala de las estructuras reticulares.
Puede que no te des cuenta, pero puedes ver estructuras de celosía (puentes, la torre Eiffel) en todas partes e incluso se dan en la naturaleza. Las estructuras de celosía se caracterizan por su elevada relación resistencia-peso.
Las estructuras reticulares son estructuras tridimensionales de celdas abiertas compuestas por una o más celdas unitarias repetidas. Estas celdas se definen por sus dimensiones y la conectividad de los puntales que las componen, que se conectan en nodos específicos y pueden lograr el equilibrio ideal de resistencia técnica, tenacidad, durabilidad, estática, dinámica y coste de fabricación.
La densidad relativa de la red cristalina, la forma, el tamaño y el material se ajustan duplicando periódicamente un gran número de celdas individuales para su diseño y fabricación, con el fin de ajustar las propiedades mecánicas de la estructura, como la resistencia y la tenacidad
Una estructura reticular 3D ofrece un alto grado de simetría espacial que puede dispersar uniformemente una carga externa, reducir el peso y aumentar la capacidad de carga. Además de las aplicaciones de ingeniería, una estructura de celosía hueca presenta un "hueco" (o abertura ajustable), que puede facilitar la integración en el cuerpo humano y el tejido del implante en la aplicación del mismo.
El diseño de la celosía es muy flexible y se pueden personalizar elementos de celosía con diferentes formas, tamaños y porosidad para adaptarlos a su uso. En la zona de alta resistencia estructural, se puede ajustar la densidad del elemento de celosía para que sea mayor y se puede seleccionar el elemento de celosía hueco con alta resistencia estructural.
En el área con altos requisitos de reducción de peso de los componentes, se puede añadir una estructura de celosía hueca con un gran rango de reducción de peso. La estructura hueca puede disponerse de forma regular o aleatoria para formar poros irregulares. Además, la estructura hueca también puede presentar una disposición de transición gradual de densidad y grosor variables para satisfacer los requisitos de la resistencia gradual general de los componentes.
Método II - Diseño de la estructura hueca intercalada/de paredes finas reforzadas
La impresión 3D ofrece al diseñador una amplia gama de opciones de diseño que no están disponibles en los procesos tradicionales.
El uso de diferentes rellenos (capas intermedias) y configuraciones y espesores de pared permite al diseñador no sólo reducir el peso neto del componente, sino también compensar las diversas cargas y tensiones que el componente tendrá que soportar.
La estructura rellena ayuda a reducir el peso de los componentes. Ofrece un buen efecto de dispersión de las presiones externas, y la estructura de paredes finas (como el grosor de pared inferior a 1 mm) favorece la reducción de peso.
Consideremos una simple barra de cortina, sometida a una carga de flexión o de plegado en la que el material de la superficie soporta la mayor parte de los esfuerzos de tracción y de compresión. Ahora imaginemos que se añade un núcleo de relleno para ayudar a dispersar la carga. El efecto sería aumentar la resistencia total de la varilla sin tener que recurrir a una varilla metálica maciza o incluso aumentar el grosor de la pared.
Además, los rellenos y otras estructuras similares pueden utilizarse en los radiadores para mejorar el área de intercambio de calor y la eficacia de disipación de calor de las piezas.
En resumen, la estructura intercalada tiene las ventajas de ofrecer una reducción del peso neto, una gran rigidez y resistencia a la flexión, una gran capacidad de anti-instabilidad, resistencia a la fatiga, absorción acústica y aislamiento térmico
Una estructura de celosía 3D ofrece un alto grado de simetría espacial que puede dispersar uniformemente una carga externa, reducir el peso y aumentar la capacidad de carga. Además de las aplicaciones de ingeniería, una estructura de celosía hueca presenta un "hueco" (o abertura ajustable), que puede facilitar la integración en el cuerpo humano y el tejido del implante en la aplicación del mismo.
El diseño de la celosía es muy flexible y se pueden personalizar elementos de celosía con diferentes formas, tamaños y porosidad para adaptarlos a su uso. En la zona de alta resistencia estructural, se puede ajustar la densidad del elemento de celosía para que sea mayor y se puede seleccionar el elemento de celosía hueco con alta resistencia estructural.
En el área con altos requisitos de reducción de peso de los componentes, se puede añadir una estructura de celosía hueca con un gran rango de reducción de peso. La estructura hueca puede disponerse de forma regular o aleatoria para formar poros irregulares. Además, la estructura hueca también puede presentar una disposición de transición gradual de densidad y grosor variables para satisfacer los requisitos de resistencia gradual general de los componentes.
Método II - Diseño de la estructura hueca intercalada/de paredes finas reforzadas
La impresión 3D ofrece al diseñador una amplia gama de opciones de diseño que no están disponibles en los procesos tradicionales.
El uso de diferentes rellenos (capas intermedias) y configuraciones y espesores de pared permite al diseñador no sólo reducir el peso neto del componente, sino también compensar las diversas cargas y tensiones que el componente tendrá que soportar.
La estructura rellena ayuda a reducir el peso de los componentes. Ofrece un buen efecto de dispersión de las presiones externas, y la estructura de paredes finas (como el grosor de pared inferior a 1 mm) favorece la reducción de peso.
Consideremos una simple barra de cortina, sometida a una carga de flexión o de plegado en la que el material de la superficie soporta la mayor parte de los esfuerzos de tracción y de compresión. Ahora imaginemos que se añade un núcleo de relleno para ayudar a dispersar la carga. El efecto sería aumentar la resistencia total de la varilla sin tener que recurrir a una varilla metálica maciza o incluso aumentar el grosor de la pared.
Además, los rellenos y otras estructuras similares pueden utilizarse en los radiadores para mejorar el área de intercambio de calor y la eficacia de la disipación de calor de las piezas.
En resumen, la estructura intercalada tiene las ventajas de ofrecer una reducción del peso neto, una gran rigidez y resistencia a la flexión, una gran capacidad de anti-instabilidad, resistencia a la fatiga, absorción acústica y aislamiento térmico
Una vez optimizada la topología, la estructura de forma especial se simula y analiza para completar el modelado final. No es raro que los componentes optimizados sean más de un 45% más ligeros que sus homólogos no optimizados.
A veces, estos diseños pueden producirse con métodos tradicionales, pero éstos no aprovechan todo el valor del proceso de optimización. Por ejemplo, se puede utilizar una fresadora CNC de 5 ejes para reducir el peso neto y conseguir la topología deseada, pero sólo produciendo una cantidad equivalente de material de desecho.
En cambio, el proceso aditivo de la impresión 3D elimina (o al menos reduce en gran medida en el caso de los soportes) el material de desecho y hace realidad toda la eficacia del proceso de optimización.
Método IV - Componentes integrados
La impresión 3d puede utilizarse para producir piezas integradas compuestas originalmente por múltiples componentes en uno solo. Este proceso no sólo mejora la estructura integral del conjunto, sino que también evita el uso de estructuras de conexión como bridas, soldaduras, etc. utilizadas en la configuración original de las piezas
Esto ayuda a los diseñadores a superar las limitaciones y realizar un diseño de optimización funcional.
La estructura integral a través de la impresión 3d no sólo mejora la tendencia al sobrecalentamiento de la boquilla y la deposición de carbono, sino que también aumenta la vida útil de la boquilla y mejora el rendimiento del motor.
Las cuatro estructuras de impresión 3d mencionadas anteriormente son una de las direcciones para realizar la ligereza mecánica, y es un proyecto sistemático. Desde la optimización del diseño y la fabricación de cada componente clave hasta la investigación y el desarrollo y la aplicación de materiales ligeros, es indispensable en el camino de la exploración de la ligereza.