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Os impulsores de bomba são o componente rotativo das bombas centrífugas que acelera o fluido para fora a partir do centro de rotação. Desde a indústria de energia até a indústria marítima, eles são amplamente utilizados e frequentemente personalizados para diferentes aplicações. Por isso, os fabricantes geralmente produzem impulsores em grande quantidade para garantir que um substituto esteja sempre prontamente disponível.
Embora os impulsores de bomba sejam comuns, eles também são extremamente caros. Os altos custos de fabricação e armazenamento levaram as empresas a buscar alternativas mais acessíveis e a explorar o novo mundo de possibilidades criado pela manufatura aditiva.
A primeira iteração do impulsor de bomba construído com manufatura aditiva pela Wärtsilä reduziu o peso em apenas 5%.
Uma empresa inovadora como a Wärtsilä, fundada na Finlândia há quase 200 anos, estabeleceu-se como líder na adoção de tecnologias inovadoras e soluções de ciclo de vida para os mercados marítimo e energético. Com um legado de engenharia tão formidável, não é surpresa que a empresa tenha liderado a otimização do processo de produção de impulsores. Seu impulso visionário resultou em um impulsor de bomba construído com manufatura aditiva, mais leve que o padrão, mas igualmente robusto.
O impulsor teve duas iterações, cada uma mais leve, e resistiu a centenas de horas de testes sem quebra, falha ou desalinhamento em operações padrão. A produção bem-sucedida de um impulsor de bomba torna a promessa de economia de custos da manufatura aditiva um passo mais perto da realidade.
Substituir os métodos tradicionais de fabricação pela manufatura aditiva também permite que as empresas reduzam seus gastos. A Wärtsilä não precisaria mais prototipar por fundição, um processo que normalmente requer ferramentas que custam dezenas de milhares de euros. As peças de reposição poderiam ser produzidas nas instalações, conforme a necessidade, eliminando longos prazos de entrega e exigências de armazenamento caro.
O segundo impulsor de bomba construído com manufatura aditiva pela Wärtsilä
Para fabricar o impulsor, a Wärtsilä uniu forças com três especialistas em manufatura: Oqton, desenvolvedor de software de simulação para aditivos metálicos Amphyon, a empresa de software de projeto de engenharia nTopology, e o parceiro de tecnologia de aditivos metálicos SLM Solutions. A colaboração resultou em várias conquistas inovadoras, incluindo a impressão de peças rotativas desafiadoras e significativas reduções no tempo de fabricação e custos de pós-processamento.
"Este trabalho demonstrou o poder de compartilhar a expertise de diferentes empresas trabalhando em um objetivo comum", disse Francesco Trevisan, especialista em manufatura aditiva na Wärtsilä. "Este impulsor revelou várias inovações técnicas e proporcionou valores benéficos para a aplicação final em motores marítimos. Conseguimos um componente leve que nunca teríamos imaginado criar antes deste projeto. Esta aplicação cria novas oportunidades para mais aplicações de manufatura aditiva na indústria naval."
Simulação chave para o sucesso na manufatura aditiva de metais
O Amphyon foi fundamental para trazer o projeto à realização. Ao simular a construção real da manufatura aditiva e permitir aos usuários pré-deformar o modelo para compensar quaisquer distorções que surjam durante a produção, o Amphyon eliminou todas as conjecturas do processo.
Normalmente, o processo de aperfeiçoamento de um modelo impresso em metal sem software de simulação pressupõe iteração - a fabricação de várias versões de um componente até alcançar o resultado desejado. No entanto, na manufatura aditiva de metais, cada iteração gera custos adicionais significativos. A capacidade do Amphyon de simular o processo aditivo de metais e pré-deformar modelos projetados permitiu à SLM Solutions alcançar um design preciso com menos versões de peças e custos mais baixos.
O impulsor também é menor em massa do que um fabricado convencionalmente, o que foi alcançado com a tecnologia Free Float da nTopology e SLM. A nTopology permitiu aos engenheiros projetar uma geometria interna e treliças que resultam em peso reduzido mantendo a rigidez. As estruturas de treliça também foram alinhadas com o eixo cilíndrico, complementando a natureza rotacional do impulsor. Uma análise estrutural também foi realizada com o objetivo de oco e engrossar a viga de treliça interna com base nos resultados de estresse.
O projeto foi ainda ajustado no Amphyon para evitar deformações. Para calcular a distorção do impulsor da bomba, o software de simulação de aditivos metálicos da Oqton considera as tensões térmicas do processo de construção, alívio de tensões e remoção de suporte. Em vez de meshar as estruturas complexas de treliça, foi utilizada uma nova abordagem de homogeneização que reduziu significativamente o tempo de cálculo. A análise final levou apenas 1h35min em uma estação de trabalho CAD regular. O resultado foi um modelo pré-deformado, compensado por distorção, que permitiu à Wärtsilä obter uma peça leve com formato próximo ao líquido.
"Este impulsor revelou várias inovações técnicas e proporcionou valores benéficos para a aplicação final em motores marítimos. Conseguimos um componente leve que nunca teríamos imaginado criar antes deste projeto. Esta aplicação cria novas oportunidades para mais aplicações de manufatura aditiva na indústria naval."
Francesco Trevisan, especialista em manufatura aditiva na Wärtsilä
Por fim, a tecnologia Free Float foi usada para imprimir superfícies com um ângulo inferior a 45 graus. Normalmente, esses tipos de superfícies requerem estruturas de suporte que são removidas no pós-processamento, mas com uma peça complexa como um impulsor de bomba, remover os suportes com ferramentas não seria possível porque são inacessíveis. No caso deste impulsor de bomba, o vetor inteligente da SLM possibilitou a impressão de superfícies com um ângulo de 20 graus.
Peso minimizado, desempenho maximizado em uma única peça
O impulsor de bomba resultante foi testado em um motor de laboratório em escala real com múltiplas medições para indicar o desempenho em diferentes cargas do motor. Condições ambientais reais, como temperatura de 120°C e velocidade de rotação acima de 2600 rpm, foram aplicadas.
"Com o conhecimento compartilhado dessas quatro empresas, criamos uma aplicação que leva a manufatura aditiva no setor de energia a um patamar superior", disse Lorenz Kropholler, gerente de projeto da SLM Solutions. "A combinação de novas ferramentas inovadoras no campo do design, pré-deformação e produção gerou uma peça que se destaca em muitos aspectos. Peso minimizado, desempenho maximizado e um tempo de entrega de apenas alguns dias estão todos combinados em uma única peça."
Sobre a Wärtsilä
Wärtsilä é líder global em tecnologias inovadoras e soluções ao longo do ciclo de vida para os mercados marítimo e de energia. A Wärtsilä enfatiza a inovação em tecnologia sustentável e serviços para ajudar os clientes a melhorar continuamente seu desempenho ambiental e econômico. Sua equipe dedicada e apaixonada de 17.000 profissionais em mais de 200 localidades em 68 países molda a transformação da descarbonização de nossas indústrias globalmente. Em 2021, as vendas líquidas da Wärtsilä totalizaram EUR 4,8 bilhões. A Wärtsilä está listada na Nasdaq Helsinki.
Para mais informações, visite https://www.wartsila.com
Sobre a SLM Solutions
SLM Solutions é fornecedora global de soluções integradas de manufatura aditiva de metal. Liderando a indústria desde sua fundação, continua a impulsionar o futuro da manufatura aditiva de metal em todas as principais indústrias, com o sucesso de longo prazo de seus clientes no centro. SLM Solutions abriga as máquinas de manufatura aditiva de metal mais rápidas do mundo, com até 12 lasers, permitindo taxas de construção de até 1000ccm/h. Com um portfólio de sistemas para atender às necessidades de cada cliente e uma equipe de especialistas colaborando de perto em cada estágio do processo, a SLM Solutions lidera o caminho no retorno sobre investimento com máxima eficiência, produtividade e rentabilidade. SLM Solutions acredita que a manufatura aditiva é o futuro da indústria e tem o desejo e a capacidade de levar seus clientes até lá - agora mesmo. SLM Solutions é uma empresa de capital aberto com sede na Alemanha, com escritórios no Canadá, China, França, Índia, Itália, Japão, Singapura, Coreia do Sul e Estados Unidos.
Para mais informações, visite https://www.slm-solutions.com/de/
Sobre a nTopology
A nTopology foi fundada em 2015 para permitir que engenheiros e designers criem qualquer geometria - por mais complexa que seja - e atendam aos requisitos de produtos de alto desempenho. Nosso software é usado desde a pesquisa até a produção para criar processos e produtos inovadores para as indústrias aeroespacial, automotiva, médica e de consumo. Nossos clientes dependem das capacidades de design generativo da nTopology para aproveitar ao máximo o novo hardware, otimizar peças onde o desempenho é crítico, superar gargalos de design e complementar sua pilha de software CAD, simulação e engenharia tradicional.
Para mais informações, visite https://ntopology.com
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