Impresión 3D en la Industria: Un acercamiento a la tecnología y su influencia en la Industria Petrolera

José G. Odremán R.

Dirección de Investigación y Postgrado Universidad Nacional Experimental Politécnica "Antonio José de Sucre" - UNEXPO, Ciudad Guayana – Venezuela

Resumen: Es este artículo se hace un acercamiento a la tecnología de impresión 3D – I3D, desde la teoría básica a través de las definiciones de los términos afines, seguidamente un recorrido cronológico de los antecedentes de la tecnología, posteriormente se esquematizan las distintas técnicas aditivas y no aditivas de la I3D a través del método de aporte de material y por el aporte de energía para la consolidación. También se hace una aproximación a los distintos materiales que actualmente la tecnología hace uso. Luego se muestra la influencia de la I3D en las diversas industrias a través de pequeñas reseñas textuales, noticias e imágenes contemplando finalmente el sector petrolero y gas.

I. DEFINICIONES

Impresión 3D

Es el proceso de fabricar un objeto sólido tridi­mensional de casi cualquier forma a partir de un modelo digital computarizado. (También llamada fabricación por adición). (Fonda, 2014)

Impresora 3D

Existe cierta ambigüedad en el uso de este término, ya que han sido varios los fabricantes que han posiciona­do sus máquinas en este sector, y por tanto distintas las tecnologías involucradas. Es más, algunas marcas han pasado a posicionar sus productos desde el ori­ginal de «Prototipado Rápido (RP)» a «impresoras 3D» y, a continuación, cuando la nueva tendencia es la fabricación, cambian su marketing para llamarlos Rapid Manufacturing (RM), tratándose del mismo fa­bricante y la misma tecnología. Nosotros preferimos asignar este nombre a los sistemas desarrollados por el MIT en 1995 y licenciados en exclusiva a la com­pañía Z Corporation, quien comercializa la primera máquina en 1996. (COTEC, 2011)

Fabricación Aditiva

Additive Manufacturing (AM) consistente en ma­nipular material a escala micrométrica y depositar­lo de forma muy precisa para construir un sólido. (Zahera, 2012)

II. ANTECEDENTES

III. TECNOLOGÍAS Y MATERIALES DE “IMPRESIÓN 3D”

Tecnologías

Esquema de tecnologías rápidas de fabricación, clasificadas como aditivas y no aditivas Fuente: (COTEC, 2011)

En términos generales se trata de procesos de adición progresiva de material a la pieza y la consolidación del mismo en su posición. Se pueden clasificar las diversas tecnologías disponibles según dos criterios: Por método de aporte de material y por el de aporte de energía para la consolidación.

La agregación del material para formar una capa sólida y la consolidación entre cada capa, y con las próximas a ella, requiere un aporte de energía o de adhesivo, lo que también es determinante de la calidad final del producto resultante y de sus características mecánicas, eléctricas, etc.

Materiales

La variedad y flexibilidad de los materiales, junto con la precisión y el acabado superficial han sido desde los comienzos de las tecnologías de AM factores críticos para el desarrollo de la tecnología.

Actualmente se están desarrollando nuevos materiales para cada uno de los procesos descritos. Dependiendo de la tecnología AM de que se trate, se deberán tener en cuenta distintos parámetros críticos para su proceso de fabricación siguiendo estos métodos.

• Para tecnologías de FDM y SLS jugará un papel muy importante la viscosidad del material (polímero, por ejemplo).

• En la Estereolitografía, la fotopolimerización del material es el parámetro fundamental a la hora de poder utilizar este tipo de materiales para estos procesos.

• En los procesos de sinterizado, al estar directamente relacionado el grado de porosidad o de densidad conseguido con las propiedades mecánicas del material, se debe orientar el proceso hacia la consecución de grados máximos de densidad.

En cuanto a las características mecánicas de las piezas fabricadas por tecnologías AM, en aquellas en las que se obtengan estructuras solidificadas densas, tanto en polímeros como en metales, se puede decir de manera general que se obtienen propiedades similares al material obtenido por métodos convencionales (por ejemplo, por colado). En cuanto a los materiales poliméricos, existen diferencias entre las propiedades mecánicas obtenidas por métodos AM frente a la inyección clásica. Esto se debe principalmente a la porosidad y a las condiciones de ausencia de presión y consolidación durante el proceso.

Se describen a continuación los principales materiales existentes en la actualidad

• Estereolitografía: Los materiales fotopoliméricos para esta tecnología son epoxis e híbridos epoxi acrílicos.

• Sinterizado láser selectivo: El material más extendido para esta tecnología es la poliamida, que se puede reforzar con fibra de Vidrio, Aluminio y fibra de carbono

o El poliestireno también puede procesarse por sinterizado láser, así como el PEEK, este último con máquinas especiales que alcanzan altas temperaturas (alrededor de 350 ºC)

o Castfom (especial para fabricación de moldes para fundición).

o Elastoméricos con una flexibilidad parecida a la goma (con infiltración se agregan colores y se mejora la resistencia a la rotura)

o Plástico halógeno ignífugo, que reduce la toxicidad (específico para productos de consumo donde se requiere resistencia al fuego y el humo).

• SLS con base en grafíto, que permite elaborar piezas con continuidad eléctrica cercana a 200 siemens por cm.

• Se están investigando materiales reciclables para sinterizado, como el desarrollado por AIJU, que consiste en un material base poliamida combinado al 50 % con cascara de almendra.

• Sinterizado directo láser selectivo: Existe una variedad de materiales en este campo, desde aceros para herramienta, aceros inoxidables (15-5PH, 17-4PH…), aleaciones de níquel (inconel…), aleaciones de cobalto, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre y aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V…), metales nobles (oro, plata…), etc.

• Impresoras 3D: La empresa Z Corporation dispone de composites cerámicos.

• Sinterizado selectivo de láser indirecto: Transforma el polvo de acero inoxidable, las partículas de esta aleación metálica basada en acero están rodeadas de un polímero que es fundido por el láser para conseguir lo que se denomina una pieza en verde. Tras este primer ciclo, la pieza sufre otro de calentamiento en un horno para altas temperaturas (a más de mil grados centígrados). Durante el ciclo de sinterizado en el horno se elimina el polímero que rodea las partículas metálicas y estas se unen; posteriormente se funde bronce y se infiltra en la pieza porosa mediante acción capilar. De este modo el bronce líquido ocupa los huecos dejados por el sinterizado de polvo. Tras el enfriamiento, se obtiene una pieza totalmente compacta con unas propiedades que permiten su utilización para diversos tipos de aplicaciones, pudiéndose incluir la de electrodo para electroerosión. El material existente en el mercado para este tipo de sinterizado indirecto es el LaserForm™ A6 Metal.

El desarrollo de nuevos materiales abre un campo de investigación muy atractivo para los próximos años, al orientarse el AM hacia la obtención del producto final. Es por ello que se esperan importantes avances en materiales cerámicos, así como sucesivamente en distintas aleaciones metálicas (titanio, níquel…), motivadas principalmente por sectores punteros que demandan este tipo de tecnología y materiales, como es el sector aeronáutico, médico, etc.

Donde se espera que este tipo de tecnologías tenga un campo de expansión importante es en los procesos de micro y nanofabricación.

El desarrollo de materiales biocompatibles hará posible la introducción continuada de productos para el sector de las biotecnologías.

La Impresión 3D – Redefine las Industrias

Usos industriales: Prototipado rápido

Las impresoras 3D industriales han existido desde la década de 1980 y se han utilizado ampliamente para la creación rápida de prototipos y de investigación. Estas son generalmente más grandes que las máquinas hogareñas utilizadas para la creación rápida de prototipos por universidades y empresas comerciales. Las impresoras 3D industriales son fabricados por empresas como 3D Systems, Objet Geometries y Stratasys.

La Industria del Petróleo y la Impresión 3D

Según (Morella, 2014) De “Las cuatro tendencias que debes conocer de la Industria del Petróleo y Gas” la tercera es la fabricación digital

Fabricación Digital: La impresión en 3D, la fabricación sustractiva basada en CNC, el modelado por deposición fundida (FDM), para termoplásticos y tecnologías relacionadas ofrecen la posibilidad de reducir el número de pasos que se necesitan para pasar de un modelo informático de componentes para una infraestructura de petróleo y gas activo hasta tan sólo un paso. La fabricación moderna ha evolucionado en torno al paradigma de producción en masa. Tradicionalmente la complejidad y la singularidad en la industria manufacturera han significado una prima de precio importante, ya que siempre ha sido más caro por unidad producir a corto plazo objetos a medida que un gran volumen de objetos estandarizados. Pero las tecnologías de fabricación digital y los procesos nos están llevando al umbral de convertir ese paradigma en la cabeza de un crecimiento del número de objetos realizados en un número creciente de materiales. ¿Cómo podría la capacidad de “imprimir” las partes de un activo de infraestructura de petróleo o gas cambiar el proceso de construcción? ¿Cómo podría esto liberalizar la industria desde la utilización de elementos estándar de catálogo hasta los mejores componentes para el trabajo, únicos para cada instalación? Y ¿cómo podría esto cambiar el servicio y las necesidades de suministro por ejemplo, para piezas de repuesto si fuera posible simplemente imprimir una válvula de repuesto en una plataforma?

El software avanzado de diseño está ayudando a romper la prima de precio tradicional e importante de la complejidad y singularidad de la fabricación. En la imagen se muestra el uso de análisis de comprobación para identificar los defectos de diseño antes de la fabricación (Imagen de Autodesk). La división de petróleo y gas de General Electric iniciará la producción de toberas de combustible mediante fabricación aditiva. (Sánchez, 2014)

El plan es realizar la prueba piloto en el segundo semestre de este año y comenzar la producción en 2015.

GE Oil & Gas planea invertir 100 millones de dólares durante los próximos dos años en investigación y desarrollo tecnológico, y una parte importante de esta inversión estará dedicada a la impresión 3D, según Reuters.

Con las técnicas tradicionales de fabricación, cada uno de los componentes de la tobera se crea por separado y se unen por soldadura. Ahora, con la fabricación aditiva, la impresión en una sola pieza simplificará enormemente la producción.

La decisión de GE Oil & Gas de utilizar la impresión 3D a esta escala es un hito en la industria. Y aunque compañías como Halliburton ya han utilizado la impresión 3D para producir algunas de las piezas utilizadas en perforaciones petrolíferas, ha sido en una escala mucho más pequeña.

La impresión 3D va a ser cada vez más importante para la industria del petróleo y el gas a medida que las condiciones de perforación se vuelven más extremas. La tecnología de impresión 3D permite a los ingenieros realizar diseños complicados para abordar los desafíos que presentan entornos de extracción tan complicados como las zonas del Ártico o las profundidades del océano.

Esta no es la primera vez que General Electric utiliza la impresión 3D. La compañía ya anunció el año pasado la aplicación de esta tecnología en su división de aviación para fabricar inyectores de combustible de motores a reacción.

Y la sede de GE en Newcastle también emplea la impresión 3D para diseñar los robots que utilizan para inspeccionar tuberías. Estos robots de vigilancia, conocidos como “pigs” (cerdos), se diseñan a medida para inspeccionar cada tipo de tubería. Con el sistema de fabricación tradicional todo el proceso de diseño podía llevar hasta 12 semanas. Con la impresión 3D este lapso de tiempo se ha reducido a 12 horas.

Así pues, la decisión de GE de utilizar esta tecnología en su división energética es solo un paso más, coherente con la visión de la compañía. GE lleva más de 20 años participando activamente en el desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva y siempre ha subrayado la importancia de la impresión 3D en su concepción de la fabricación del futuro.

Impresión 3D en la industria petrolera (MREDDIAZ, 2014)

La división de petróleo y gas de General Electric comenzará la producción piloto de boquillas de combustible impresas en 3D para sus turbinas de gas, en la segunda mitad del 2014. Sería un avance significativo para el uso de esta tecnología a gran escala dentro de la industria.

Se espera que se realice la producción en impresora 3D de todas las boquillas a partir del 2015, según el Director General de Tecnología de GE Oil & Gas. Esta iniciativa sigue a lo realizado por GE Aviación, que anunció el año pasado que utilizaría la impresión 3D para producir boquillas de combustible para su turbina de jets LEAP, una decisión clave que muchos vieron como sello final a la ventaja comercial de esta técnica.

Halliburton también ha utilizado la impresión 3D para producir partes utilizadas en perforación, pero no a una escala tan grande.

Otra pieza de equipo que GE Oil & Gas busca obtener con impresoras 3D es bombas eléctricas sumergibles, las cuales se usan para traer el petróleo hacia la superficie de manera artificial.

IV. BIBLIOGRAFÍA

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