Partes poderosas

Materiales resistentes, tolerancias estrictas, cantidades bajas y formas complejas: los proveedores líderes ofrecen consejos para navegar por las estrictas demandas de la industria energética.

Estados Unidos se fundó sobre la primera fuente de energía renovable del mundo: la madera. Lamentablemente, los colonos del país pronto descubrieron que los árboles que quemaban para calentar sus hogares y cocinar sus alimentos no crecían lo suficientemente rápido para satisfacer la creciente demanda, por lo que se cambiaron al carbón.

Sin embargo, con la invención de la electricidad y luego de los automóviles, las contrapartes de los combustibles fósiles del carbón (petróleo y gas natural) pronto tomaron la delantera en el desfile de la energía y se mantienen en la cima en la actualidad. De hecho, el informe Annual Energy Outlook de 2022 de la Administración de Información de Energía (EIA) de EE. UU. pronostica que las fuentes de energía no renovables permanecerán en el asiento del conductor hasta 2050.

También señaló que, dado que las preocupaciones sobre el calentamiento global y la contaminación del aire ocupan un lugar central, las alternativas más amigables con el medio ambiente, como la energía solar, de hidrógeno y eólica, están ganando fuerza. Agregue a esto un resurgimiento de la energía nuclear y un impulso para actualizar las fuentes hidroeléctricas existentes con tecnología moderna, y la escritura está en la pared eléctrica: los combustibles fósiles eventualmente (aunque no es probable en la vida de este baby boom) seguirán el camino de las plantas prehistóricas. y animales que los hicieron.

Cualquiera que sea la fuente de energía, reunir sus fotones, moléculas o movimiento y luego convertirlos en electricidad es una tarea exigente. Una plataforma petrolera en alta mar, por ejemplo, debe operar en aguas de cientos o miles de pies de profundidad y perforar agujeros en la tierra muchas veces esta profundidad. Las presiones son extremas, los fluidos bastante corrosivos y las temperaturas extremadamente altas.

Debido a esto, los pozos de petróleo y las refinerías utilizan muchas de las mismas superaleaciones resistentes al calor (HRSA) que se encuentran en los motores a reacción y otros componentes de aeronaves. Los metales como el Inconel 718 y el acero inoxidable 17-4 PH contienen cantidades relativamente grandes de cromo, molibdeno, níquel y otros elementos de aleación que hacen que lo que de otro modo sería acero común sea extremadamente resistente y resistente; desafortunadamente, también hacen que estas aleaciones sean difíciles de mecanizar y fabricar.

Scott Green se preocupa poco por la maquinabilidad. Como líder principal de soluciones en 3D Systems Inc., Rock Hill, SC, lo que sí le importa es la reducción del número de piezas, la eficiencia del combustible y el tiempo de comercialización, atributos que permiten que la impresión directa en metal (DMP) haga avances significativos en el mercado. sector energético, en particular el mercado de turbinas de gas industriales (IGT).

Gran parte de este éxito se debe a la capacidad de DMP para convertir estos metales de alto rendimiento en formas enormemente complejas que antes eran imposibles o al menos tenían un costo prohibitivo de fabricar, eliminando algunos o todos los pasos de mecanizado y ensamblaje en el camino. "Existe una gran oportunidad para el uso de microturbinas en la generación y almacenamiento de energía descentralizados, y eso tiene implicaciones significativas para la fabricación aditiva", dijo.

Mire lo que sucedió en Texas en el invierno de 2021, señaló, cuando gran parte de la red se apagó debido a las inclemencias del tiempo. La generación de energía descentralizada habría evitado esto. Luego está California, donde los propietarios de Tesla Powerwalls ayudaron a aliviar los apagones al devolver la electricidad a la red. Tales ejemplos indican que una solución de energía modernizada es aquella que incluye la generación de energía localizada a pequeña escala se está volviendo más popular y pronto explotará en los Estados Unidos, si no en todo el planeta.

Green sostiene que las microturbinas son una pieza fundamental de esta ecuación energética. Cuando los municipios y los gobiernos de los condados invierten en sus propios suministros de energía, de repente se vuelven mucho menos dependientes de la infraestructura energética estatal y regional y más resistentes a las interrupciones relacionadas con el clima o la vida civil.

¿Qué tiene que ver la impresión 3D con todo esto? Buena pregunta, dijo Green. "Tal como hemos visto en otros sectores de fabricación, DMP trae muchos beneficios a la mesa. Para empezar, a medida que reducimos el tamaño de las grandes turbinas industriales, aumentan las oportunidades para la consolidación de piezas. Esto simplifica el diseño y reduce los costos. Los fabricantes también disfrutan mayor libertad de diseño, también están encontrando formas de mejorar la eficiencia del combustible. Agregue a eso la capacidad de iterar más rápidamente y podrá ver por qué la FA de metal está desempeñando un papel cada vez más importante en el crecimiento de la industria de IGT".

También ayuda a que la infraestructura energética existente sea más ecológica.

Green, con el nombre apropiado, está trabajando con ingenieros en una "importante compañía de energía" en sus esfuerzos por reducir y utilizar los gases residuales a través de la tecnología de turbinas. "En lugar de ventilarlo al medio ambiente, planean redirigir los subproductos de la combustión a través de una turbina, capturando así lo que normalmente es calor desperdiciado y al mismo tiempo eliminando el carbono y otros contaminantes. Se llama redirección de gases de combustión en el punto de origen, y al igual que con generación de energía a pequeña escala, la impresión 3D lo está haciendo mucho más atractivo para los productores de energía".

Heath Houghton es consultor principal de negocios en Autodesk Inc., con sede en San Francisco. Él está viendo la misma tendencia hacia la sustentabilidad y la reducción de las huellas de carbono, y dijo que "prácticamente todos los clientes" con los que se comprometió durante el último año han publicado objetivos junto con Estas líneas. La eficiencia energética es un componente clave de ambos, señaló, y un número cada vez mayor de fabricantes han recurrido a la simulación y el diseño generativo en un esfuerzo por cumplir sus objetivos energéticos corporativos.

Muchos en la industria equiparan el software de diseño generativo con la fabricación aditiva. Houghton está de acuerdo en que este fue uno de los primeros usos de la nueva tecnología, pero está lejos de ser el último. "La gente está usando generativo para producir diseños de piezas más eficientes, sea cual sea el método de fabricación", dijo. "Al final del día, todo se reduce a la optimización de la topología, y eso es efectivo para muchas aplicaciones, incluidas las partes de energía".

Al igual que con Green de 3D Systems y otros entrevistados para este artículo, Houghton está experimentando una mayor actividad en el sector energético. Muchas de estas partes son bastante grandes, agregó. Las carcasas de las turbinas y los impulsores, por ejemplo, son componentes que Green conoce bien. Cuando es demasiado grande para caber dentro de la cámara de construcción de una impresora 3D o cuando tiene más sentido económico, estas y otras piezas complejas similares a menudo se producen mediante el proceso de fundición de inversión.

Aquí nuevamente, la impresión 3D ha comenzado a jugar un papel importante. Los fabricantes ahora pueden evitar los largos procesos tradicionales de creación de patrones utilizando QuickCast de 3D Systems y tecnologías de la competencia, imprimiendo patrones basados ​​en cera o resina en una fracción del tiempo que antes se requería. De manera similar, el software de diseño generativo permite a los diseñadores fabricar componentes de todo tipo (energéticos y de otro tipo) más fuertes, más livianos y con menos material. Esto generalmente significa que se requiere menos mecanizado, lo que ahorra tiempo y dinero a los fabricantes.

Sin embargo, Houghton se apresura a señalar que Autodesk aporta mucho más a la parte de fabricación que el software de diseño y simulación. Por ejemplo, el producto insignia de la empresa, Fusion 360, admite la programación de máquinas herramienta CNC con hasta cinco ejes de movimiento simultáneo, así como la gestión centralizada de datos, la colaboración entre los equipos de diseño y fabricación, y una serie de capacidades adicionales, entre ellas la impresión 3D. a ellos.

"Al igual que con cualquier sector de la industria, la energía tiene sus propios desafíos únicos", dijo. "Como señalé anteriormente, las piezas suelen ser bastante grandes, por lo que no solo hay oportunidades significativas para la optimización del diseño, sino también oportunidades para optimizar los procesos de mecanizado y fabricación. Ayudamos a los fabricantes a mejorar en cada una de estas áreas".

Jeff Wallace, vicepresidente de ingeniería y director de tecnología de DMG Mori Federal Services Inc., (la unidad de soporte y ventas del gobierno de EE. UU. de DMG Mori Group) en Hoffman Estates, Illinois, también tiene mucho que decir sobre la racionalización. La empresa ha desarrollado una amplia gama de maquinaria CNC avanzada, gran parte de ella diseñada para combinar lo que antes eran pasos de mecanizado separados y, para muchas piezas, completarlas en solo una o dos operaciones. Ya sea que se trate de un torno multitarea, un centro de torneado y fresado o un centro de mecanizado de cinco ejes, capacidades como estas aportan enormes beneficios a los talleres de mecanizado de todo tipo, entre ellos los que fabrican piezas energéticas.

Y debido a que estas máquinas herramienta son enormemente complejas, DMG Mori también ha trabajado duro para hacerlas tan fáciles de operar como sea posible. Esto se logra en gran parte a través de "ciclos tecnológicos" que, según la compañía, reducen el tiempo de programación, aseguran una estructura adecuada del programa y minimizan los errores. Wallace marcó un puñado de estos ciclos, incluidos subprocesos múltiples, monitoreo fácil de herramientas, control de vibración de la máquina, torneado por interpolación y otros, algunos de los cuales ahora están en su segunda iteración.

También hay fabricación de engranajes. Los ciclos de equipos y tecnología de DMG Mori respaldan las operaciones de tallado, biselado, fresado y rectificado, que hasta hace poco se limitaban a equipos especiales. Por supuesto, los engranajes se encuentran en todo, desde la máquina de hielo en la puerta del refrigerador hasta la transmisión en el automóvil familiar, pero como señaló Houghton, los engranajes utilizados por la industria energética suelen ser mucho más grandes que las piezas comerciales que acabamos de mencionar y, por lo tanto, requieren grandes maquinaria (como la que fabrica DMG Mori) para fabricar.

También se producen en cantidades más bajas y, dada la necesidad de una respuesta rápida en MRO y piezas de repuesto, además, con plazos de entrega más cortos.

El equipo CNC multifuncional proporcionado por DMG Mori y algunos otros fabricantes líderes de máquinas-herramienta cumple todos estos requisitos.

"Es una gran ayuda para la industria si pueden alejarse de las máquinas talladoras y las rectificadoras de engranajes dedicadas", dijo Wallace. "Hay un par de razones para esto. En primer lugar, si el trabajo se agota para una de esas máquinas, se quedan inactivas, mientras que una multitarea se puede usar para hacer prácticamente cualquier cosa que entre por la puerta. En segundo lugar, los tiempos de entrega en cortadores de engranajes, hornillos y biseles generalmente se mide en semanas o incluso meses, por lo que si no tiene la herramienta adecuada a mano, tendrá que esperar mucho tiempo para hacer ese engranaje".

Wallace advierte que las máquinas CNC multifuncionales no son la solución completa para ciertas aplicaciones. Para la fabricación de gran volumen donde los números de pieza son limitados, una pieza dedicada de equipo de fabricación de engranajes sigue siendo la solución más rentable, aunque menos flexible. Lo mismo puede decirse de los engranajes que exigen una precisión extrema y finos acabados superficiales, aunque esta afirmación es menos cierta que antes. "Trabajamos en muchas de nuestras plataformas, y también tenemos un grupo de molienda dedicado llamado Taiyo Koki, por lo que a menudo también podemos competir en este campo".

También lo puede hacer Sandvik Coromant US de Mebane, NC, que ofrece una variedad de cortadores de engranajes intercambiables, de metal duro y de acero de alta velocidad que abordan una necesidad específica en la industria de fabricación de engranajes: el biselado. "Debido a que las máquinas-herramienta de cinco ejes ahora se han vuelto lo suficientemente precisas como para mantener el husillo principal y el husillo de la herramienta perfectamente sincronizados sin retrasos ni desajustes, ahora pueden accionar skiv, un proceso avanzado que se utiliza para fabricar engranajes y ranuras internas y externas. "

Así lo afirma Chuck Kirts, especialista en aplicaciones y ventas de SAA para fresado de engranajes en Sandvik Coromant. Señala que el biselado y otras formas de generación de engranajes en los centros de mecanizado son más difíciles de vender a los clientes que fabrican cantidades automotrices con maquinaria de corte de engranajes dedicada. Pero para los clientes y proveedores automotrices que inician nuevas líneas de producción o reemplazan líneas antiguas, estas máquinas ofrecen una opción asequible y confiable. La capacidad de realizar el biselado en la misma máquina que fresa, taladra y gira es una gran ventaja. En los mercados aeroespacial y energético, donde las cantidades son más bajas, es un camino claro a seguir, especialmente con los metales duros enumerados anteriormente.

"Recientemente trabajé con una empresa en el sur que fabricaba piezas de aproximadamente 10 pies de diámetro en una de las máquinas más grandes de DMG Mori", dijo Kirts. "Utilizamos una de nuestras fresas intercambiables CoroMill 180 para biselar para generar el perfil del engranaje y, como tenían la tecnología correcta y husillos de transmisión directa y alta precisión, tuvieron bastante éxito".

Engranajes, carcasas de turbinas, anillos de estator: hay mucho más en la industria energética y las piezas que produce que estos pocos ejemplos. Considere las turbinas eólicas. Sí, estos usan algunos de los mismos componentes y comparten algunas similitudes con otros equipos de producción de energía, pero donde una planta de carbón quema trozos de carbono para generar electricidad y una planta de energía nuclear divide los átomos de uranio en un proceso continuo y cuidadosamente controlado. explosión, los parques de turbinas eólicas no hacen más que girar suavemente con la brisa.

Guy Dorrell lo sabe todo. Miembro del equipo global de comunicaciones externas de Siemens Gamesa Renewable Energy SA con sede en Vizcaya, España, es uno de los mayores fanáticos de la energía eólica y está especialmente intrigado con el proceso de fabricación detrás del componente más visible de cualquier turbina: sus aspas. "Son la estructura de una sola fundición más grande del mundo, más grande que los cañones de artillería, los cascos de los tanques, lo que sea. Nada más se compara".

Para aquellos de ustedes que han pasado por un parque eólico marino y se han preguntado cómo se fabrican esas palas, es posible que se sorprendan con la respuesta. No hay maquinaria masiva aquí, explicó Dorrell, ni robots que se arrastran arriba y abajo de los 100 metros o más de la hoja, solo un equipo de artesanos expertos que construyen cada hoja a mano. Colocan secciones individuales de lámina de fibra de vidrio y fibra de carbono en un molde con resina entre cada una, alisan todo con rodillos, luego le dan la vuelta y repiten el proceso en la otra mitad. Cuando termine, todo se coloca en un horno durante aproximadamente una semana. Luego, la hoja se lija, se inspecciona, se pinta, se transporta al lugar de trabajo en alta mar y se atornilla a la góndola. "Es la cosa más asombrosa e increíble que puedas imaginar".

Cuando se le preguntó por qué Siemens Gamesa no siguió los pasos de la industria aeronáutica y no automatizó el proceso, su explicación fue simple. "Simplemente no se puede hacer", dijo. "Las palas son cónicas y tienen una forma aerodinámica muy compleja con estructuras internas realmente intrincadas para evitar que vuelen con vientos de 100 mph. También equilibramos las palas y luego las combinamos con otras que trabajarán juntas para amortiguar cualquier efecto armónico. Believe Para mí, hemos buscado formas de mecanizarlo, pero hasta ahora, la tecnología no existe".

Como se señaló, Dorrell está orgullosa de los artesanos y de todo lo que hace la empresa. Dijo que hace 10 años, Siemens Gamesa estaba instalando aerogeneradores marinos con 2,3 megavatios de capacidad de generación. Seis generaciones después, ese valor ha aumentado a 14 megavatios, energía suficiente para alimentar una casa con cada rotación de las hojas masivas. Sin embargo, es el futuro lo que más le emociona: la compañía actualmente está probando formas de producir hidrógeno a partir de agua de mar, una fuente de energía que, según él, será "completamente benigna" para el medio ambiente.

Hasta ese día, Dorrell continúa saludando las alabanzas de la energía eólica. Donde los combustibles fósiles requieren que los productores de energía reinviertan continuamente a medida que los pozos se secan y se ven obligados a encontrar nuevos suministros, el viento es el regalo que sigue dando.

"Ciertamente, la fabricación es un poco difícil, al igual que sumergirlos en el agua, pero una vez que has pagado la inversión, todo es salsa", dijo Dorrell.

"Con un poco de mantenimiento de rutina, siguen girando y girando durante varias décadas. Y gracias a una nueva tecnología que hemos desarrollado, ahora podemos reciclar las cuchillas y reutilizar los materiales en lugar de enterrar todo en un vertedero como ha sido el caso. Es verdaderamente una fuente de energía verde, y seguirá mejorando a medida que pasen los años".

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