Diseño de una turbina Tesla impresa en 3D – Parte 2: Desarrollo de la carcasa de cojinetes

Introducción

En esta segunda entrega de nuestra serie de dos partes, explicamos cómo modernizar una turbina Tesla mecanizada con piezas Markforged. El primer artículo presentó las turbinas Tesla, identificó componentes ideales para impresión 3D y reemplazó la carcasa de la turbina con una pieza personalizada Markforged. Esta entrada se centra en el elemento impreso restante: la carcasa de cojinetes.

La carcasa de cojinetes de la turbina Tesla

La carcasa de la turbina envuelve el conjunto del eje pero no lo contacta directamente. En su lugar, un componente intermedio —la carcasa de cojinetes— se atornilla a la carcasa de la turbina y asegura el conjunto del eje con dos cojinetes perfectamente concéntricos. Al voladizar el conjunto del rotor sobre la carcasa de cojinetes, los diseñadores originales permitieron a un mecanizador verificar fácilmente la concéntricity de los orificios de los cojinetes. Esta precisión es crítica; a 24.000 rpm, incluso una ligera desalineación puede causar fallo catastrófico. En la carcasa de aluminio original, las tolerancias de ajuste de los cojinetes eran +0/-0,0004 pulg, asegurando un ajuste a presión sin impedir la rotación. Aunque una máquina Markforged puede producir esta pieza, presenta un reto mayor que la carcasa de la turbina debido a sus tolerancias más ajustadas y función crítica.

Ajustes de diseño para fabricación aditiva

Imprimir la carcasa de cojinetes exige precisión y concéntricity. Afortunadamente, la dureza superficial reducida del Onyx relaja ligeramente las tolerancias —lograr +0/-0,001 pulg es realista comparado con el requisito del aluminio. También necesitábamos imprimir ranuras para anillos de retención y bridas voladizas con alta precisión; estas características requieren material de soporte significativo, que se elimina limpiamente usando soportes Peel‑Off. Además, la pieza debe acomodar un alto volumen de fibra, especialmente alrededor de los cojinetes, para mantener la estabilidad dimensional. El diseño permite seis capas de fibra alrededor de cada cojinete, proporcionando amplio refuerzo.

Impresión de la carcasa

Para validar nuestro enfoque, imprimimos dos versiones de la carcasa de cojinetes: una en la Mark Two Enterprise y otra en la Mark X, cada una evaluada con verificación dimensional láser.

Carcasa Mark Two

En la Mark Two, las tolerancias ajustadas dependen de pruebas unitarias medidas independientemente. Imprimiendo y midiendo anillos de prueba unitarios para cada ajuste de cojinete, iteramos dos veces, ajustamos las dimensiones CAD e incorporamos las dimensiones refinadas en la pieza completa. Solo tras verificar la carcasa completa insertamos el hardware. Cuando tuvo éxito, los cojinetes lograron un ajuste a presión perfecto e integraron sin problemas con la carcasa de la turbina.

Carcasa Mark X

Aunque la Mark X también depende de validación humana, el escaneo láser dimensional simplifica el flujo de trabajo. Escaneando las capas que contienen los ajustes críticos de los cojinetes, verificamos tolerancias en tiempo real sin calibradores. Logramos ambas tolerancias en el primer intento, eliminando la necesidad de reimprimir. Este proceso sin intervención es más eficiente que las pruebas unitarias.

Conclusión

A pesar de su complejidad, la carcasa de cojinetes demuestra la viabilidad de la impresión 3D de tolerancias ajustadas para componentes de alto rendimiento. Confirmamos piezas funcionales tanto en la Mark Two como en la Mark X con cambios mínimos de diseño, y ambas carcasas permiten un giro del rotor impecable.

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