Por sus propiedades térmicas y eléctricas el cobre es un material ideal para intercambiadores de calor y componentes eléctricos. Mientras estas propiedades son buenas en esta aplicación también se volvieron útiles en manufactura aditiva.
Kenneth Nai, un ingeniero de Renishaw, exploró cómo superar este problema y utilizar la manufactura aditiva para diseñar estructuras de cobre en intercambiadores de calor.
El reto
La manufactura aditiva es una tecnología y tendencia innovadora que transforma la industria. Los procesos digitales aditivos dan al ingeniero la libertad de diseño para crear y fabricar piezas con estructuras complejas que no serían posible con otros procesos de manufactura tradicionales.
Normalmente los equipos intercambiadores de calor están hechos de láminas delgadas soldadas. Este diseño complejo hace que su proceso de fabricación sea lento y tedioso. Los sistemas de manufactura aditiva fabrican piezas en material capa por capa, agregando material cuando es necesario, con el proceso se pueden crear componentes ligeros y complejos, lo que hace que este proceso sea atractivo para la fabricación de intercambiadores de calor.
La conductividad térmica del cobre lo hace ideal en intercambiadores de calor, pero las propiedades del material pueden crear ciertos retos cuando se usan un sistema de manufactura aditiva. El sinterizado de polvo de cobre con láser infrarrojo de longitud de onda de 1070 nm es complicada, porque el cobre es muy reflectivo con ese tamaño de onda. Por lo tanto, solo una pequeña cantidad de la energía láser se absorbe en el polvo y se requiere una cierta absorción para fundir y unir el polvo. La combinación de la alta conductividad del cobre y la energía láser requerida produce inestabilidad y, a menudo, da como resultado propiedades mecánicas deficientes de la pieza terminada.
Solución
Renishaw colaboró con la firma de software nTopology para demostrar a las empresas que al usar el programa de diseño adecuado en el sistema se podían crear estructuras intrincadas de cobre.
Combinando la máquina de manufactura aditiva RenAM 500S de Renishaw con el programa nTopology se ha demostrado un método de diseño de estructuras intrincadas que son adecuadas para usar en intercambiadores de calor y como se estas pueden incluirse en preparación de corridas usando el software QuantAM en la maquina Renishaw.
En las oficinas de Renishaw de Gloucestershire en el Renio Unido se hicieron pruebas en un sistema RenAM 500S con un láser de 500 watts y boquilla laser de 70um cargada con material en polvo 99.9% cobre. El equipo produjo 3D piezas con un diseño innovador de paredes delgadas de 0.35mm solidas con una densidad de 98% antes de darles un tratamiento térmico de 30 micras de capa.
Diseñando superficies mínimas en la plataforma nTopology
El programa nTopology se usó para generar unas superficies mínimas tipo triple periódicas (TPMS) aplicables a intercambiadores de calor que generalmente requieren una cierta área superficial a un volumen dado a ser maximizado. El criterio de diseño de las estructuras tipo "gyrol" o giroide fue para un espesor de pared de 0.35mm y tamaño de celdas de 2 y 5mm.
El programa nTopology se aplicó en rebanar el diseño en capas de 30 micrones y exportar sus fronteras como archivos CLI. Los cuales se importarán en el programa QuantAM de Renishaw para generar el archivo de construcción del proceso de manufactura aditiva. Los archivos CLI eliminan la necesidad del formato tradicional STL que tiene muchas desventajas al describir las estructuras intrincadas.
Esta pieza hecha por manufactura aditiva se entregó a Cooksongold, un proveedor de metales sede en Birmingham. "Nos entusiasma el trabajo de diseño y produccion y los resultados obtenidos por Renishaw y nTopology", menciona Ian Campbell, director del programa de MA industrial de Cooksongold. "Esperamos usar la tecnología para trabajar en nuevas aplicaciones de clientes que usan cobre".
