24 ABR 2024
Un equipo de estudiantes de la Universidad Rice ha creado un dispositivo de impresión 3D de metal por aspersión fría que se basa en la presión y la velocidad en lugar de la temperatura para crear una pieza de metal. Este innovador avance promete expandir el repertorio de técnicas de fabricación aditiva de metal, reduciendo costos y mejorando la calidad de la creación o reparación de partes metálicas complejas únicas.
Los miembros del equipo AeroForge, entre ellos Eli Case, Julianna Dickman, Garrett French, Galio Guo, Douglas Hebda, Grant Samara, Davis Thames y Aasha Zinke, utilizaron el dispositivo para depositar con éxito cobre, demostrando la viabilidad y el potencial de su prototipo. Este proyecto ganó el Premio a la Excelencia en Ingeniería de Capstone y el primer lugar en el Premio Willy Revolution Award for Outstanding Innovation en el Showcase Anual de Diseño de Ingeniería Huff OEDK, que tuvo lugar el 11 de abril en el Ion.
«Estamos muy emocionados y aliviados», dijo Dickman. «Pasamos muchas noches en la cocina de diseño de ingeniería Oshman, y es muy gratificante ser reconocidos por nuestro trabajo».
Guo mencionó que cuando el equipo no ganó el premio de su categoría, pensó que no iban a ganar nada. «Entonces ganamos el primer premio, y estaba muy feliz, y cuando ganamos el segundo premio, estaba realmente, realmente feliz», dijo Guo.
El proyecto de Team AeroForge también es el ganador del Premio a la Invención Hershel M. Rich de este año, presentado a estudiantes o miembros del cuerpo docente de ingeniería de Rice por «desarrollo de invenciones originales».
«Las impresoras 3D de metal tradicionales generalmente utilizan un láser para fundir polvo de metal en una forma particular, pero la fusión realmente puede afectar las propiedades de su producto», explicó Zinke. «La tecnología de aspersión en frío, que se ha utilizado para recubrimientos, utiliza velocidad en lugar de calor, acelerando básicamente partículas de metal tan rápido que se adhieren y se deforman sobre un sustrato. El sistema que hemos diseñado tiene como objetivo lograr eso en una capacidad de impresión 3D».
Las aplicaciones para el dispositivo incluyen la fabricación y reparación de partes metálicas con una estructura compleja, como componentes utilizados en líneas de ensamblaje industrial o en vehículos o aviones. Industrias que dependen de componentes metálicos, como automotriz, petróleo y gas, y defensa, pueden incurrir en pérdidas significativas como resultado de interrupciones en la cadena de suministro, por lo que el equipo espera que su dispositivo pueda proporcionar una alternativa viable y económica para fabricar o reparar partes según la demanda.
Thames, quien presentó la idea del proyecto a un compañero de equipo casi un año antes del inicio de la clase de diseño de último año, explicó las ventajas de usar la impresora 3D de metal por aspersión fría sobre la soldadura.
«Típicamente, con las reparaciones, solo puedes eliminar material mientras remodelas una parte de metal», dijo Thames. «Pero con este proceso, puedes agregar material y luego mecanizarlo. Con la soldadura, por ejemplo, las temperaturas de fusión variables pueden resultar en propiedades de material desiguales. No tenemos ese problema con este dispositivo».
El dispositivo consta de un tanque de gas que suministra gas nitrógeno a alta presión al sistema; controles que regulan válvulas y monitorean presión y temperatura; un recipiente a presión que calienta el gas a 450 grados Celsius (842 grados Fahrenheit); un alimentador de polvo diseñado para dispensar polvo de metal en una boquilla a una velocidad precisa; y una boquilla personalizada.
Dickman explicó que aunque el gas se calienta, «sigue siendo un sistema de aspersión en frío porque cuando el gas encuentra polvo en la boquilla, se expande fuera de la boquilla y se enfría muy rápidamente».
«Las partículas nunca se funden; realmente nunca ven temperatura, la temperatura solo sirve para aumentar la velocidad del gas, que imparte su momentum en el polvo de metal, que luego puede acelerarse hacia nuestro sustrato y adherirse», dijo Dickman.
Una gran parte de los esfuerzos del equipo se centraron en reducir costos, ya que la mayoría de las impresoras 3D de metal pueden costar más de $1 millón. Team AeroForge construyó su dispositivo por menos de $5,000.
«Una de nuestras grandes innovaciones aquí es hacer que el sistema sea mucho más barato», dijo Samara. «Muchas de nuestras partes se fabricaron internamente, por ejemplo, el recipiente a presión, porque eso es potencialmente algo muy peligroso. Otras partes, como la boquilla, son propietarias, por lo que no es algo que puedas encontrar en otro lugar. La boquilla es una parte muy difícil de fabricar; tuvimos que desarrollar nuevos procesos para hacerla».
Los polvos metálicos son peligrosos si se inhalan, y trabajar con gas a presión también agrega otra capa de consideraciones de seguridad. El equipo trabajó con el departamento de salud y seguridad ambiental de Rice para asegurarse de cumplir con todas las pautas durante las pruebas. Una de las especificaciones de seguridad es que no se permite que nadie esté en la habitación mientras el sistema está en funcionamiento. Para garantizar la seguridad, el equipo implementó un sistema de monitoreo complejo y un sistema de registro de datos de tres partes.
«Hemos implementado muchas verificaciones de seguridad», dijo Guo. «Por ejemplo, hay una jerarquía particular en la que realmente puedes abrir los interruptores. Nos comunicamos con el dispositivo de forma inalámbrica, así que hemos hecho muchas iteraciones de código para asegurarnos de que eso funcione de manera efectiva».
Case, quien trabajó en el diseño de la boquilla y el calentador y en el software, dijo que una de las principales lecciones aprendidas del proyecto para él fue la importancia de tener personas con diferentes áreas de experiencia trabajando juntas; otra lección aprendida fue lo crítico que es construir más margen para la contingencia en el cronograma del proyecto. Hebda confirmó que para el equipo, había sido «a fondo tratando de solucionar los diseños que no iban a funcionar».
«Inevitablemente, todo lleva el doble de tiempo de lo que pensábamos», dijo Hebda, agregando que trabajar en el proyecto de diseño de último año hizo que el conocimiento de la clase cobrara vida.
«Puede que estés tomando una clase de ingeniería sobre análisis de estrés y pienses, ‘No estaré construyendo un puente pronto'», dijo Hebda. «Pero luego estás haciendo análisis de estrés en las barras de un recipiente a presión, y ves que eso es muy real y obtienes especificaciones de torsión reales de eso. Cuando vas a arreglar tu auto, el manual dice a qué apretar los pernos. Ahora nosotros somos el manual, estamos definiendo cuáles son esos valores. Así que hacer eso y tener confianza en esas respuestas es realmente genial».
French, quien tenía mucha experiencia en diseño práctico de hardware como parte de la especialización en diseño de ingeniería, enfatizó que «este equipo está muy motivado: es un equipo seleccionado a mano, y este también es un proyecto propuesto por estudiantes».
«Todos somos personas que nos inscribimos en un proyecto particularmente difícil», dijo French.
