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Componentes inteligentes que alertan de su desgaste o malfunción

Los equipos electrónicos que instalen estos componentes inteligentes tendrán más fácil su mantenimiento y puesta a punto gracias a la capacidad de alertar sobre su desgaste o fallos de funcionamiento. Han sido desarrollados por científicos del United Technologies Research Center y de UConn, utilizando tecnología avanzada de fabricación aditiva. Los investigadores también aplicaron una variación de la tecnología para crear imanes unidos a polímeros con geometrías intrincadas y formas arbitrarias, abriendo nuevas posibilidades para la fabricación y el diseño del producto.

Impresión 3D Avanzada

La clave de ambas innovaciones es el uso de una forma avanzada de impresión 3D llamada tecnología de escritura directa. A diferencia de la fabricación aditiva convencional, que utiliza láseres para fusionar capas de polvo metálico fino en un objeto sólido, la tecnología de escritura directa utiliza una “tinta” metálica semisólida que se extruye desde una boquilla. La viscosidad de la tinta metálica se parece a la pasta de dientes que se exprime de un tubo.

Este proceso permitió a los científicos de UConn-UTRC crear finas líneas de filamentos de plata conductores que podrían integrarse en los componentes impresos de la máquina 3-D mientras se fabricaban.

Las líneas, que son capaces de conducir corriente eléctrica, actúan como sensores de desgaste que pueden detectar daños en la pieza. Las líneas paralelas de filamento de plata, cada una acoplada con una pequeña resistencia impresa en 3-D, están integradas en un componente. Las líneas interconectadas forman un circuito eléctrico cuando se aplica voltaje. A medida que las líneas se incrustan cada vez más profundamente en un componente de la superficie, a cada nueva línea y resistencia se les asigna un valor de voltaje cada vez más alto. Cualquier daño al componente, como el desgaste o la abrasión causados por la fricción de las piezas móviles, cortaría en una o más de las líneas, rompiendo el circuito en esa etapa. Cuantas más líneas se rompan, mayor será el daño.

Las lecturas de voltaje en tiempo real permiten a los ingenieros evaluar el daño potencial y el desgaste de un componente sin tener que desmontar una máquina entera.

Para tener una mejor idea de cómo se podrían usar estos micro sensores, imagínenlos incrustados en el revestimiento cerámico de una pala de ventilador de turbina de motor a reacción. Estas cuchillas están sometidas a tremendas fuerzas físicas y calor. Una grieta microscópica en la capa protectora podría ser potencialmente catastrófica para el rendimiento de la cuchilla, pero invisible a simple vista. Con los sensores incrustados, los mecánicos serían alertados de cualquier daño en las cuchillas con prontitud para que pueda ser abordado. “Esto cambia nuestra forma de ver la fabricación —dice Sameh Dardona, Director Asociado de Investigación e Innovación en UTRC, que sirve como motor de innovación para United Technologies Corp.—. Ahora podemos integrar funciones en componentes para hacerlos más inteligentes. Los sensores pueden detectar cualquier tipo de desgaste, incluso corrosión, e informar esa información al usuario final. Esto nos ayuda a mejorar el rendimiento, evitar fallas y ahorrar costos “.

El equipo de UConn-UTRC pudo incrustar líneas de sensores de solo 15 micrones de ancho y 50 micras de separación. Eso es mucho más delgado que un cabello humano promedio, que es de aproximadamente 100 micrones. Esto permite la detección de daños muy pequeños.

Desarrollar un sensor tan preciso no es fácil. Los investigadores midieron y optimizaron las propiedades de flujo de la tinta con infusión de plata para que las líneas del tamaño de micras puedan depositarse de manera confiable sin obstruir la boquilla ni causar una dispersión sustancial después de la deposición.

Imán 3D
Imán impreso en 3D creado utilizando la tecnología de escritura directa en el Centro de Investigación UTC. (Foto de Peter Morenus / UConn)

Nuevas oportunidades en muchos campos gracias a la impresión 3D

Los científicos también utilizaron la tecnología de escritura directa para crear nuevos componentes que tienen recubrimientos magnéticos o material magnético incrustado en ellos. Estos imanes unidos a polímeros son capaces de adaptarse a cualquier variedad de formas y eliminar la necesidad de carcasas separadas en máquinas que requieren partes magnéticas.

“Esto abre muchas oportunidades emocionantes — aseguran—, imagina imanes que pueden tomar diferentes formas y encajar perfectamente entre otros componentes funcionales. Además, el campo magnético resultante que se crea puede ser más manipulado y optimizado cambiando la forma de los imanes”.

El método de fabricación de imanes desarrollado por UConn y UTRC también mejora significativamente las prácticas de fabricación existentes de otras maneras. Los métodos actuales para crear imanes impresos en 3-D personalizados se basan en el curado a alta temperatura, que desafortunadamente, como resultado, reduce las propiedades magnéticas de un material. Los científicos de UConn y UTRC encontraron una forma de evitar ese problema al usar luz ultravioleta de baja temperatura para curar los imanes, similar a la forma en que un dentista usa luz ultravioleta para endurecer un relleno. Los imanes resultantes exhibieron un rendimiento significativamente mejor que los imanes creados por otros métodos de fabricación aditiva. Los imanes tienen una amplia gama de aplicaciones industriales, desde la creación de corrientes eléctricas en alternadores hasta el seguimiento de la posición o la velocidad de las piezas móviles como sensores de alta calidad. Incrustar material magnético directamente en los componentes podría conducir a nuevos diseños de productos que son más aerodinámicos, más ligeros y eficientes, dice Dardona.

Colaboración entre Universidad y Empresa

“Este es un gran ejemplo de colaboración entre la investigación industrial y la investigación académica—aseguran—. Siempre tenemos nuevos conceptos que nos gustaría explorar. Esta colaboración nos permitió aprovechar el conocimiento, la experiencia y las instalaciones disponibles en UConn para ayudarnos a abordar algunos de estos desafíos tecnológicos”.
La colaboración también beneficia a UConn. Shen, el Ph.D. estudiante en el laboratorio de Ma, se desempeñó como investigador principal en los dos proyectos, desarrollando, probando y volviendo a probar la nueva tecnología en los últimos tres años.
“Este tipo de colaboraciones nos permiten ayudar a empresas como UTC a desarrollar nuevas tecnologías que sabemos que llevarán al siguiente nivel  —dice Ma—. También es muy gratificante para nuestros estudiantes. Los estudiantes que participan en estos proyectos están completamente integrados en el equipo de investigación. No solo es excelente desde la perspectiva del desarrollo de la fuerza de trabajo, también les da a los estudiantes la oportunidad de trabajar estrechamente con ingenieros profesionales en una hermosa instalación como UTRC ”

Se puede encontrar información más detallada sobre la fabricación de los sensores de desgaste en un artículo en  Additive Manufacturing . Los detalles sobre la producción de escritura directa de imanes unidos a polímeros se pueden encontrar en un artículo en el  Journal of Magnetism and Magnetic Materials .

Fuente:  www.uconn.edu