Estudio de caso

Stream Lion Design rediseña un martillo modal utilizando la técnica de Multi Jet Fusion

Esta consultoría de ingeniería mejora el diseño del producto con ayuda de la impresión 3D

Paul Sickles ha trabajado a la vanguardia de la tecnología industrial de alto rendimiento durante toda su vida profesional. Su experiencia se remonta a los lejanos días del programa Lockheed SR-71 o del F-22 Raptor, e incluye la colaboración con varias agencias aeroespaciales para desarrollar un material para vehículos hipersónicos.

En la actualidad, Sickles dirige su propia consultoría, Stream Lion Design LLC, que se especializa en aplicar las últimas tecnologías para ayudar a las empresas a resolver problemas técnicos críticos. Recientemente, Stream Lion confió en la impresión 3D para solucionar el problema de una empresa dedicada al sector del suministro eléctrico.

El cliente de Sickles deseaba resolver un problema de una turbina de combustión, conocido por ser una preocupación generalizada en este sector. Necesitaba contar con una forma de examinar las turbinas para identificar cuáles presentaban mayor riesgo de fallo.  Así pues, recurrió a Sickles para que le ayudase a solucionar el problema.

Parte de la solución dependía de la recopilación de los datos de respuesta a la vibración desde el interior de los motores ensamblados, un proceso conocido como «prueba modal».  Una vez recopilados, los datos se usarían para conocer qué motores eran más susceptibles de vibración, con el fin de gestionarlos adecuadamente.

Los datos de respuesta a la vibración se obtienen golpeando una pieza con un instrumento de precisión denominado martillo modal. La pieza examinada se suele equipar con un acelerómetro que envía las mediciones resultantes de la vibración a otro dispositivo llamado analizador de señales.  Se puede extraer mucha información sobre la respuesta de una pieza a la vibración golpeándola y midiendo su reacción al impacto.

En pocas palabras

Reto

Pensando en el diseño de un nuevo martillo modal, Paul Sickles, fundador de Stream Lion Design, necesitaba una solución de fabricación a pequeña escala capaz de producir piezas precisas y duraderas.

Solución

Stream Lion Design recurrió a Protolabs para fabricar piezas finales con Multi Jet Fusion, un proceso de impresión 3D apto para producción final.


Resultado 
La pieza impresa en 3D encajó en el montaje y resultó lo suficientemente duradera para un uso industrial. Gracias a una mejora de la ergonomía y a un tamaño m �s funcional, el nuevo martillo modal redujo el tiempo de las pruebas a la mitad.

 

El nuevo diseño de martillo modal de Stream Lion es más compacto que el del martillo disponible en el mercado, lo que facilita su uso en un entorno industrial estrecho.

Búsqueda de una solución de producción a pequeña escala

Existía un problema con este método: este tipo de pruebas son más adecuadas para un laboratorio, no para el interior de una turbina de combustión.  Las pruebas exigían que Sickles trepase físicamente al interior del motor para realizar cientos de pruebas de vibración. No tardó mucho en darse cuenta de que el martillo modal que se utiliza habitualmente en el laboratorio no está diseñado para este uso concreto.

Enseguida le resultó sumamente difícil mover el martillo dentro del motor. Subrayó: "Al entrar al motor de la turbina, el espacio era bastante estrecho, con poca o ninguna visibilidad de las piezas durante las pruebas". Resultaba difícil golpear limpiamente con el martillo y los datos obtenidos de este modo eran deficientes.

Tampoco era posible probar las piezas con la suficiente rapidez porque el martillo era demasiado voluminoso. "Cuando uno está en una central eléctrica haciendo este tipo de pruebas, hay que hacer todo según lo planeado y en un tiempo limitado", explicó Sickles. "Tenía que entrar y salir rápidamente".

Tras sufrir las deficiencias del martillo disponible en el mercado, Sickles empezó a idear un nuevo martillo modal que resultase más adecuado para un entorno industrial.  Así pues, igual que haría cualquier otro ingeniero, decidió tomar las riendas de la situación y crear un nuevo diseño. Quería mejorar la ergonomía del martillo, reducir su tamaño e incluir otras mejoras para obtener un proceso de recopilación de datos más rápido y más fiable.

"Examiné la herramienta para ver cómo podía mejorarla. Empecé a reflexionar sobre las modificaciones que iba a introducir y recurrí a la impresión 3D para crear el prototipo del dispositivo."
Con ayuda de la impresión 3D, Sickles realizó varias iteraciones antes de concluir el diseño. Para la pieza final, optó por la Multi Jet Fusion, un proceso de impresión 3D apto para producción desarrollado por HP.

"Examiné la herramienta para ver cómo podía mejorarla. Empecé a reflexionar sobre las modificaciones que iba a introducir y recurrí a la impresión 3D para crear el prototipo del dispositivo", comentó Sickles. "Experimenté con diferentes prototipos hasta validar el nuevo diseño."

A medida realizaba varias iteraciones y el diseño final tomaba forma, empezó a pensar cómo fabricar la pieza. "El nuevo diseño constituyó una mejora de tal calibre que empezó a llamar la atención de otras personas interesadas en comprar esta herramienta. Entonces tuve que empezar a pensar cómo poner el martillo mejorado a disposición de los clientes", explicó.

Sickles destacó varias prioridades clave para la pieza final al buscar un proceso de fabricación adecuado. La pieza final tenía que ser lo suficientemente duradera para resistir impactos repetidos, tener tolerancias estrechas para interactuar adecuadamente con los componentes del transductor de fuerzas y, dado que probablemente se necesiten pocas piezas al mismo tiempo, su producción a pequeña escala tiene que ser económica.

Impresión 3D: algo más que prototipos

Los primeros prototipos se construyeron en la impresora 3D de escritorio de Stream Lion, pero Sickles sabía que iba a necesitar una durabilidad y calidad global mejores para lograr una pieza final robusta.  Fue entonces cuando acudió a Protolabs.

Después de estudiar las necesidades de la pieza con un ingeniero de productos de Protolabs, ponderó las ventajas de construir la pieza con sinterizado selectivo por láser (SLS) o con Multi Jet Fusion (MJF), ambas técnicas de impresión 3D aptas para producción.

Finalmente, Sickles optó por la Multi Jet Fusion gracias a sus bajos costes, su mayor precisión morfológica y el acabado superficial de mejor calidad en comparación con el SLS. Esta tecnología de impresión 3D apta para producción le permitiría construir una pieza de nylon duradera con morfologías precisas que encajen correctamente en las otras piezas del ensamblaje.

El nuevo diseño da en el clavo

El nuevo diseño de martillo solucionó con éxito los problemas que Sickles encontró en la herramienta disponible en el mercado. No solo resultó más ergonómica y fácil de usar, sino que la pieza impresa en 3D demostró la resistencia y durabilidad necesarias para rendir en el trabajo de campo. Sickles declaró que el nuevo martillo le permitió doblar la velocidad de recopilación de datos.

 “Desde el primer momento, la pieza resultó un gran éxito. Las tolerancias fueron exactamente lo que necesitaba.

"Además de cumplir su función, era importante que la pieza contase con el acabado de superficie y la durabilidad correctos, ya que se va a usar en trabajos de campo y no se reducirá a un mero prototipo", afirmó. "Desde el primer momento, la pieza resultó un gran éxito. Las tolerancias eran exactamente lo que necesitaba, encajó perfectamente en el ensamblaje y el acabado granallado y teñido de negro dieron al martillo un excelente aspecto, además de la textura perfecta."

Aprovechando el servicio de impresión 3D de Protolabs, Sickles podrá volver a imprimir más martillos a medida que tenga pedidos. Además, gracias al modelo de producción según demanda, tiene la posibilidad de iterar el diseño sin acumular un inventario obsoleto.

"Este producto era perfecto para la impresión 3D con calidad de producción", destacó Sickles. "Con frecuencia, la gente tiende a confiar en la fabricación con aditivos solo para la creación de prototipos y pasar luego al moldeo o al mecanizado para la producción final. Pero, en mi caso, las piezas impresas en 3D en la cantidad exacta que necesito constituyen un modelo de negocio eficiente."