Cuanto más pesado es un avión, más combustible necesita para mantenerse en vuelo. Cada pieza se suma al peso total de la aeronave, desde las alas hasta los motores y los pernos que mantienen todo junto. Las muchas piezas que componen un vehículo se fabrican tradicionalmente mediante varios procesos de mecanizado en los que las materias primas se cortan en las formas finales deseadas. Sin embargo, Los procesos de mecanizado tradicionales como el fresado o el rectificado son limitados cuando se trata de optimizar formas para el menor peso. Estos métodos de mecanizado tradicionales han llevado a los fabricantes a crear muchas piezas independientes que encajan entre sí, pero no tiene por qué ser así.

Kate Whitefoot, un profesor asistente de ingeniería mecánica e ingeniería y políticas públicas, y Levent Burak Kara, un profesor de ingeniería mecánica, están desarrollando métodos que permiten a los fabricantes consolidar piezas discretas, tomando varias piezas de diferentes tamaños y rediseñándolas en una sola pieza. Esta parte continua podría imprimirse en 3-D en metal.

Fabricación aditiva, también conocida como impresión 3-D, permite la producción de nuevas formas que antes no se podían producir. Como miembros del Próximo Centro de Fabricación de Carnegie Mellon, Whitefoot y Kara están utilizando la fabricación aditiva para reinventar lo que es posible al crear componentes.

"Lo que la consolidación de piezas nos permite hacer es fabricar de forma monolítica componentes que normalmente tendrían que ensamblarse juntos, ", dice Whitefoot." Esto puede reducir sustancialmente los costos asociados con la fabricación de esas piezas, y también potencialmente nos permitirá un ahorro de peso significativo. Así que esto es algo en lo que los fabricantes están realmente interesados, particularmente en industrias como la aeroespacial y la automotriz ".

Al consolidar varias piezas de diferentes tamaños en una sola pieza, Whitefoot puede disminuir el número de sujetadores, eliminar las superficies de contacto asociadas con las piezas, e imprima monolíticamente estas partes. Bajo ciertas condiciones, esto puede hacerlos más fuertes que varias partes que lo eran, por ejemplo, soldados entre sí.

Al rediseñar la geometría de las piezas para reducir aún más el peso, La investigación de Whitefoot podría revolucionar muchos sectores industriales, en particular el aeroespacial y el automotriz. Cuando se aprovecha la consolidación de piezas para reducir los costos de producción asociados con el proceso, La fabricación aditiva se vuelve más competitiva en costes con métodos de fabricación más tradicionales. Consolidando piezas, Whitefoot y Kara no solo están reduciendo los costos de producción y el ahorro de peso, pero también reduciendo significativamente el tiempo dedicado a imprimir la compilación.

Una de las razones por las que esto es tan atractivo en el sector aeroespacial es que las libras se traducen directamente en el uso de combustible a lo largo de la vida útil de las aeronaves. Cada onza que se ahorra al optimizar el tamaño y el peso de una pieza puede ayudar a compensar ese uso de combustible, reduciendo así los costos y los impactos ambientales.

"Si podemos utilizar estos métodos para reducir significativamente los costos de producción, entonces, muchas más industrias podrían adoptar aditivos y luego aprovechar los beneficios de rendimiento que puede aportar, "dice Whitefoot, "lo que incluye abrir el espacio de diseño y potencialmente causar importantes ahorros de peso, teniendo enormes beneficios medioambientales y de costes cuando se trata de aplicaciones en las que nos traducimos en el uso de combustible ".

Poder fusionar piezas y producirlas como una sola pieza monolítica es un gran paso para la fabricación de piezas, pero los investigadores quieren dar un paso más:hacia el rediseño automático. Whitefoot está trabajando con Kara para automatizar la optimización de las formas de las piezas metálicas creadas a través de la fabricación aditiva, minimizando el peso de estas piezas, así como el costo de producción.

"Con el avance de la fabricación aditiva, ahora podemos fabricar geometrías más complejas, "dice Kara." Una cosa que hace atractiva la optimización de topología aditiva es que ahora podemos fabricar piezas que antes solo eran teóricamente posibles. Dentro de las partes, Se pueden producir geometrías internas complejas para minimizar la masa total de la pieza, al mismo tiempo que se asegura de que la estructura pueda soportar todas las fuerzas externas que se le aplican, así como lo haría una pieza mecanizada tradicionalmente ".

Whitefoot y Kara están desarrollando métodos que permiten la optimización automática de piezas. Con esta investigación, un fabricante podría cargar un archivo CAD de un conjunto de piezas, y estos métodos medirían automáticamente la forma óptima en que se debe consolidar este conjunto de piezas.

"Tomar varias partes y poder sintetizarlas automáticamente en una única pieza geométrica puede no haber sido factible antes, "Kara agrega, "pero con la fabricación aditiva, ahora no solo podemos optimizar para obtener la mejor combinación de estas piezas, de hecho, podemos crear las piezas que eran imposibles de crear con los métodos de mecanizado tradicionales ".

Whitefoot y Kara se encuentran actualmente en un proyecto inicial de un año con Boeing para demostrar la viabilidad de los métodos que han desarrollado. En el mercado comercial, se necesita tiempo para pasar de tener un método viable en la etapa de investigación a la capacidad de vida comercial real, pero los investigadores pronostican que esta tecnología podría estar disponible comercialmente en un horizonte de tiempo de cinco años.

"Estamos haciendo esto para ayudar a los ingenieros y diseñadores de fabricación aditiva a agilizar el proceso de creación de herramientas más automatizadas, "dice Whitefoot, "por lo que el diseño aditivo realmente puede pasar de un arte a una ciencia".