Diseñando una turbina Tesla impresa en 3D – Parte 1: Recreando la carcasa con Markforged

Introducción

Bienvenido a la primera entrega de nuestra serie de dos partes sobre la remodelación de una turbina Tesla con componentes Markforged. Recorreremos cada paso, desde el concepto hasta el diseño y la impresión final, usando técnicas probadas de publicaciones anteriores. Al final de esta serie, verás una turbina Tesla totalmente funcional, impulsada por una carcasa impresa con Markforged que es más ligera, más fuerte y lista para velocidades extremas.

¿Qué es una turbina Tesla?

Una turbina Tesla, patentada por Nikola Tesla a principios de 1900, es un dispositivo de flujo centrípeto sin álabes. El fluido entra tangencialmente a una serie de discos lisos y paralelos, y la interacción viscosa entre el fluido y las superficies de los discos impulsa la rotación. A diferencia de las turbinas convencionales de álabes, el diseño Tesla se basa en la adhesión de capa límite, permitiendo una geometría mucho más simple y eficiencias potencialmente mayores.

Tesla afirmaba hasta 90 % de eficiencia, pero pruebas reales encontraron alrededor del 40 % — aún muy por encima del rango 25-30 % típico de turbinas de álabes. La principal limitación eran las velocidades de rotación extremas (9.000-36.000 rpm) requeridas, que causaban deformación de álabes y fallo mecánico. Hoy, las turbinas Tesla son mayormente juguetes educativos, pero su simplicidad elegante sigue inspirando ingenieros.

Reimaginando la turbina con impresión 3D

Comenzamos con un diseño probado de Olin College que divide la máquina en tres ensamblajes principales: un sistema de eje/rotor, una carcasa de cojinetes y una carcasa de turbina. Las carcasas de cojinetes y turbina se acoplan con un elemento de centrado metálico ajustado y ocho tornillos de montaje, mientras que el eje está totalmente constrained por la carcasa de cojinetes.

La mayoría de componentes son sencillos de mecanizar: carcasas de aluminio fresadas CNC, ejes de acero torneados y espaciadores cortados por chorro de agua. Debido a que la geometría de la turbina es simple y las tolerancias requeridas son modestas (<0,025 mm), vimos una oportunidad para reemplazar las pesadas carcasas de aluminio con piezas impresas en 3D ligeras y de alta resistencia sin sacrificar rendimiento.

Requisitos de la carcasa de la turbina

• Integridad del acoplamiento: La carcasa debe acoplarse perfectamente con la carcasa de cojinetes. Un juego de +0,025 mm/−0,025 mm en el elemento de centrado elimina vibraciones que podrían destruir la turbina a altas velocidades.
• Montaje: Dieciséis agujeros roscados —ocho en la parte trasera para la carcasa de cojinetes, ocho en la frontal para una cubierta de policarbonato— deben posicionarse con precisión para mantener la integridad estructural.
• Juego de álabes: Un juego de ajuste muy ajustado entre la cavidad de la carcasa y los álabes asegura máxima transferencia de energía y minimiza pérdida de eficiencia.

Diseño y enrutado de fibra

Comenzamos realizando pruebas unitarias en el modelo CAD para verificar tolerancias. Las pruebas revelaron que reducir el diámetro interior aproximadamente 0,05 mm en CAD produce el ajuste +0,025 mm requerido al imprimir. También reemplazamos todos los agujeros roscados con cavidades para inserts de calor para garantizar fijaciones fiables en la matriz polimérica.

Para reforzar la estructura, se enrutaron anillos concéntricos de fibra de carbono a lo largo de la pieza en Eiger. La pared trasera, que soporta la mayor parte de la carga, recibió un complemento completo de anillos, mientras que cada capa de pared exterior incorporó un solo anillo. Esta estrategia aumenta la resistencia circunferencial con material mínimo, manteniendo la pieza ligera.

Verificación dimensional

Aunque el cuerpo de la turbina cabía en una Mark Two, elegimos la Mark X por su capacidad de verificación dimensional basada en láser. Se configuraron dos escaneos láser: uno para inspeccionar la superficie de acoplamiento de la carcasa de cojinetes y otro para verificar el diámetro de la cavidad. Durante la impresión, cada escaneo se verificó en Eiger, confirmando un error dimensional de solo 0,01 mm — bien dentro de tolerancia.

Próximos pasos

Tras finalizar la impresión, instalamos los inserts de calor y atornillamos la carcasa de cojinetes de aluminio. El ensamblaje completo pesaba solo 170 g frente a los 570 g de la contraparte de aluminio, una reducción del 70 % en masa. Con la carcasa validada, procedimos a diseñar e imprimir la carcasa de cojinetes, que se detallará en la Parte 2.

Lee la Parte 2 de esta serie para el diseño de la carcasa de cojinetes, y síguenos en Facebook, Twitter, Instagram y LinkedIn para más actualizaciones.