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Diseño de una turbina Tesla impresa en 3D - Parte 2

Introducción

Esta es la segunda entrega de una serie de dos partes que detalla la actualización de una turbina Tesla mecanizada con partes Markforged. En la primera entrega, presentamos Tesla Turbines, discutimos qué partes se prestaban bien a la impresión 3D y reemplazamos la carcasa de la turbina con una parte Markforged. Ahora, abordaremos el otro componente impreso de la modernización de nuestra turbina:la carcasa del cojinete.

La carcasa del cojinete de turbina de Tesla

Si bien la carcasa de la turbina rodea el conjunto del eje, no lo toca. En cambio, una pieza intermedia llamada alojamiento de cojinetes se atornilla a la carcasa de la turbina y sostiene el conjunto del eje con dos cojinetes perfectamente concéntricos. Al colocar en voladizo los rotores del lado de la carcasa del rodamiento, los diseñadores originales se aseguraron de que el maquinista que giraba la pieza original pudiera verificar fácilmente la concentricidad de los orificios del rodamiento. Esto es de suma importancia. A 24.000 rpm, cualquier desalineación en los rotores de la turbina podría provocar una falla catastrófica. En la carcasa de aluminio (como se mecanizó originalmente), las tolerancias para cada uno de estos ajustes de cojinetes fueron +0 / -. 0004 ”. Las tolerancias extremadamente ajustadas aseguran que los ajustes a presión se asienten bien sin estar tan apretados que impidan la rotación del rodamiento. Si bien esta pieza se puede fabricar en una máquina Markforged, es una tarea mucho más alta que la carcasa de la turbina.

Modificaciones de diseño de fabricación aditiva

Si bien esta parte es definitivamente imprimible, representa un desafío significativamente más difícil que la carcasa de la turbina por algunas razones. Primero, los ajustes de los rodamientos deben ser precisos y concéntricos; sin embargo, las tolerancias pueden ser ligeramente más flexibles debido a la menor dureza de la superficie de Onyx. Esta es una bendición disfrazada, ya que alcanzar una tolerancia de +0 / -. 001 "es mucho más realista que lo que se requiere para el aluminio. En segundo lugar, necesitábamos poder imprimir con precisión tanto las ranuras del anillo de retención como las bridas sobresalientes. Ambos requerían material de soporte significativo que se pudiera quitar de las áreas de difícil acceso sin dañar la pieza. Afortunadamente, nuestros soportes despegables permiten imprimir fácilmente las ranuras del anillo de retención y las bridas. En tercer lugar, necesitábamos colocar una cantidad significativa de fibra en las piezas, especialmente alrededor de los cojinetes. Si la pieza se deforma, cualquier precisión que logremos con los ajustes de los rodamientos quedaría anulada. La pieza es lo suficientemente grande como para colocar seis anillos de fibra alrededor de cada rodamiento; este es un amplio apoyo.

Impresión de la carcasa

Es posible alcanzar tolerancias estrictas en todas nuestras máquinas. Para probarlo, decidimos imprimir dos versiones de la carcasa del rodamiento:una en la Mark Two Enterprise y otra en la Mark X con verificación dimensional láser.

Carcasa Mark Two

Para imprimir tolerancias estrictas en el Mark Two, tenemos que usar pruebas unitarias medidas de forma independiente. Cubrimos las pruebas unitarias explícitamente en una publicación de blog anterior; son increíblemente útiles al permitirnos imprimir tolerancias estrictas sin un diseño de circuito cerrado. Para la carcasa del rodamiento, abstraemos cada uno de los dos ajustes del rodamiento a los anillos e imprimimos pruebas de unidades múltiples. Después de cada impresión de prueba unitaria, medimos el diámetro interno con la mayor precisión posible (medir círculos internos impresos en 3D con calibradores puede ser bastante difícil) y ajustamos las dimensiones de nuestras piezas en CAD. Después de iterar dos veces con cada ajuste de rodamiento, incorporamos cada nueva dimensión en la pieza completa y la imprimimos. Solo después de medir y validar la pieza completa intentamos insertar el hardware. Si todo funciona según el plan, los cojinetes encajarán a presión y podremos instalar la carcasa del cojinete en la carcasa de la turbina.

Carcasa Mark X

Debido a que la seguridad dimensional en el Mark X todavía está validada por humanos, no podemos simplemente imprimir una pieza perfecta. Sin embargo, el dimensionamiento láser agiliza enormemente nuestro proceso. En lugar de usar pruebas unitarias (que aunque son excelentes, aún corren el riesgo de no verificar la tolerancia porque la prueba unitaria con dimensiones dentro de la tolerancia aún necesita ser replicada), imprimimos la pieza completa con un escaneo láser en capas que contienen cada uno de los dos ajustes de cojinetes críticos. Esto nos permite verificar cada uno de los ajustes de los rodamientos durante la impresión sin tener que usar calibradores. Si bien logramos alcanzar ambas tolerancias en el primer intento (excluyendo la necesidad de una reimpresión), perder cualquiera de las tolerancias habría resultado en una simple re-dimensión y reimpresión. Este flujo de trabajo es de no intervención y mucho más simple que usar pruebas unitarias.

Conclusión

Si bien es compleja, la carcasa del rodamiento demostró ser una excelente aplicación de la impresión 3D de tolerancia estricta. Validamos que podíamos imprimir una pieza funcional con pocos cambios de diseño tanto en la Mark Two como en la Mark X. Mejor aún, las carcasas funcionan indistintamente; ambos permiten que el rotor de la turbina gire sin problemas.

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