Golpear por encima de tu peso

Tome la I-40 hacia el oeste desde Knoxville durante media hora, gire hacia el norte por la autopista 95 y pronto llegará a una instalación gubernamental que, si nunca se hubiera construido, habría hecho del mundo un lugar muy diferente. El físico Enrico Fermi trabajó aquí una vez, al igual que muchos otros científicos con nombres menos conocidos pero cuyo trabajo no fue menos crucial para la defensa de nuestra nación.

Esto se debe a que el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) fue el hogar del primer reactor nuclear en funcionamiento continuo del mundo; suministró el material fisionable que impulsó la bomba atómica, un arma cuyo uso, aunque devastador, probablemente evitó millones de bajas de guerra adicionales.

Desde aquel día infame, el ORNL ha tenido un mandato mucho más pacífico. ¿Su lema? Resolviendo grandes problemas.

Un vistazo rápido al sitio web de la organización revela una extensa investigación sobre una variedad de estas áreas de “grandes problemas”, entre ellas la inteligencia artificial, la computación cuántica, la energía limpia, la ciberseguridad y el desarrollo de materiales. Los científicos han desarrollado aquí mejores baterías, han encontrado formas más efectivas de reducir las emisiones de carbono y reciclar plástico, y han dado los primeros pasos para descifrar el lenguaje secreto de las plantas. En pocas palabras, hay algo de ciencia seria en marcha aquí.

Brian Post ha trabajado en ORNL desde 2013 después de obtener su doctorado. en ingeniería mecánica del Instituto de Tecnología de Georgia. Actualmente dirige el Grupo de Diseño de Sistemas de Fabricación, donde dedica gran parte de su tiempo a llevar la impresión 3D y otras tecnologías de fabricación avanzadas hacia direcciones novedosas y a menudo sorprendentes.

Por ejemplo, los visitantes de las exposiciones IMTS anteriores a COVID tuvieron la oportunidad de pasear en Strati y luego en Olli, dos vehículos impresos en 3D que fueron posibles gracias al trabajo de Post en fabricación aditiva (AM) a gran escala. Él y un equipo de investigadores han seguido mejorando y ayudando a implementar esta y otras capacidades aditivas, lo que ha dado como resultado cambios tecnológicos significativos que posiblemente alteren la industria.

"Oak Ridge recibe miles de visitantes al año, la mayoría de los cuales representan empresas individuales", dijo Post. “De ellos, aproximadamente 50 firman un acuerdo cooperativo de investigación y desarrollo (CRADA) con mi equipo. Trabajamos con ellos para resolver desafíos, desarrollar soluciones fundamentales e impulsar la tecnología. Me enorgullece decir que definitivamente estamos superando nuestro peso en lo que respecta a estas asociaciones industriales”.

Estas asociaciones son una vía de doble sentido, añadió. “Son un salvavidas clave para que sepamos hacia dónde impulsar nuestro desarrollo tecnológico. Por ejemplo, una atracción industrial en una determinada dirección o hacia un área de aplicación específica nos da una idea. Nos mantiene conectados con lo que la industria necesita y nos mantiene trabajando a un ritmo relevante para la corriente”.

También respalda las directrices descritas por el Departamento de Energía (DoE), que financia gran parte del trabajo de ORNL. El primero de ellos es ayudar a reducir el uso de energía industrial, un esfuerzo centrado en gran medida en aligerar el peso, aumentar la eficiencia del combustible y desarrollar procesos de fabricación más eficientes. El segundo lugar en la lista es apoyar los objetivos de la administración de reducción de carbono y espacios tecnológicos más ecológicos, seguido de ayudar a las empresas estadounidenses a ser más competitivas en el mercado global, lo que, según Post, significa "trabajar mano a mano con nuestros socios industriales para desarrollar tecnologías que beneficien a la humanidad". Estados Unidos."

"Estamos en el negocio de ayudar a las empresas estadounidenses a tener éxito", señaló. “También somos administradores de fondos públicos destinados a potenciar la industria estadounidense, hacerla más competitiva y lograr el éxito mediante técnicas de fabricación avanzadas.

Está dando resultados significativos. Post señaló que, en general, su grupo ha generado más de mil millones de dólares en impacto industrial. Antes del desarrollo de los 110,000 pies cuadrados del DoE. Manufacturing Demonstration Facility (MDF), una instalación para usuarios en ORNL, en 2012, la impresora 3D más grande disponible comercialmente tenía tasas de deposición de cinco pulgadas cúbicas de material por hora y producía piezas no más grandes que una maleta.

Gracias a colaboraciones con empresas como Lincoln Electric, Cincinnati, GKN Aerospace, Lockheed Martin y docenas de otros fabricantes, muchos de los cuales asignaron empleados para trabajar junto a Post y su equipo ORNL durante períodos prolongados, la fabricación aditiva a gran escala (LSAM) ha convertirse en algo casi común. "Ahora hay alrededor de varias docenas de empresas activas en este espacio, donde antes no había ninguna", afirmó.

Su trabajo no es enteramente aditivo ni a gran escala. Otros proyectos notables incluyen el desarrollo de un soporte para recipientes de combustible hecho de metal refractario para la planta nuclear Browns Ferry en Alabama. Han producido palas de turbina Inconel 718 para pruebas de fuego caliente y han encontrado formas de reutilizar imanes de tierras raras. Mientras tanto, un proceso robótico de moldeo por compresión y fabricación aditiva (AMCM) recientemente desarrollado, que según Post produce piezas compuestas completamente densas con excelentes propiedades de material, promete respaldar las tasas de producción a nivel automotriz.

Además, han realizado una extensa investigación sobre el control microestructural durante la impresión 3D. "Al controlar las velocidades locales de enfriamiento y la forma en que introducimos energía durante la impresión de metal en polvo con haz de electrones, pudimos modificar la estructura del grano dentro de un bloque monolítico para replicar la Mona Lisa", dijo. "Sólo se puede ver en una micrografía, pero es genial".

En el extremo opuesto del espectro de la fabricación aditiva, Post tiene interés en la impresión de hormigón a gran escala, una actividad que encaja perfectamente dentro de los objetivos del Departamento de Energía de eficiencia energética y fabricación ecológica. “La producción de hormigón representa una gran parte del consumo de energía industrial, por lo que si hay una manera de utilizar menos, ahorraremos una cantidad significativa de energía y al mismo tiempo reduciremos las emisiones de CO2, que representan aproximadamente el 8 por ciento de la huella global. "

Como han descubierto muchos en la industria de la fabricación aditiva, la optimización de la topología sirve para reducir el uso de materiales y al mismo tiempo aumentar la resistencia de las piezas, y las estructuras de hormigón no son diferentes. El desafío entonces es cómo construir estas estructuras a una escala que supere con creces la de los automóviles y los moldes de compresión impresos en 3D. Hacerlo no sólo requiere una máquina herramienta verdaderamente masiva, sino también una que una empresa de construcción pueda implementar en el campo sin demasiado costo o esfuerzo.

"Algunos constructores de viviendas han utilizado grandes robots de pórtico para esta aplicación, pero su tamaño es limitado", dijo Post. “Desarrollamos algo similar a las cámaras aéreas accionadas por cable que se ven en eventos deportivos, pero en lugar de una cámara, tendría una extrusora de concreto. Un diseño de este tipo permitiría una instalación rápida en el sitio, incluso en ubicaciones remotas, y requeriría una infraestructura mínima. Lo llamamos SkyBAAM”.

Aunque la tecnología SkyBAAM (fabricación aditiva de gran área) aún no está lista para despegar, el equipo de Post ha construido un sistema prototipo y algunas estructuras pequeñas con él. También comenzaron a desarrollar formulaciones de cemento alternativas que consumen menos energía y generan menores cantidades de CO2. "En lugar de depender de reacciones hidráulicas como en el cemento Portland, utilizamos un aglutinante que cura absorbiendo dióxido de carbono de la atmósfera".

Post obtuvo su título universitario en ingeniería mecánica en la Universidad Purdue. En ese momento, planeaba seguir una carrera en robótica quirúrgica. Una pasantía de verano en ORNL con el profesor Lonnie Love cambió sus planes. Mientras trabajaba con un grupo de robótica que fabricaba exoesqueletos humanos, simuladores de movimiento de barcos y vehículos omnidireccionales, Post se involucró en el proyecto "Revolucionar las prótesis" de DARPA.

"Esto fue alrededor de 2008, y demasiados soldados regresaban de Irak y Afganistán con extremidades amputadas", dijo. “DARPA estaba muy interesada en desarrollar la próxima generación de prótesis, algo que daría a los combatientes mayores capacidades que un palo con un gancho. Entonces, comenzamos a trabajar en cosas hidráulicas a pequeña escala, con pequeños actuadores, bombas y acumuladores. Construimos una articulación de codo que podía doblar 60 libras cada seis segundos y un dedo que podía doblar 25 libras, pero pronto nos encontramos diseñando cosas que ya no podíamos fabricar”.

El equipo recurrió a la sinterización directa por láser de metales (DMLS) y otras tecnologías aditivas para producir piezas que la fabricación tradicional no podía. Esa, dijo Post, fue su introducción a la impresión 3D. Él nunca volvió atrás. “Cuando terminé mi doctorado. y regresé de Georgia Tech, fui a Oak Ridge y comencé a buscar formas de utilizar mis conocimientos de robótica para mejorar el estado de los sistemas aditivos”.

ORNL admite seis de las siete tecnologías AM líderes. Cuando se le preguntó cuál es su favorito, Post admitió cierta preferencia por la fabricación híbrida, a la que dedica la mayor parte de su tiempo. Se apresura a señalar que esto abarca dos tecnologías distintas: las máquinas herramienta CNC híbridas ofrecidas por Mazak, DMG Mori y Okuma (todas están asociadas con ORNL), que combinan la fabricación aditiva y sustractiva en el mismo equipo, así como la fabricación híbrida. procesos que permiten al fabricante trasladar el trabajo de un lado a otro entre maquinaria complementaria de forma rápida y precisa.

"Si podemos descubrir cómo utilizar estos sistemas de manera efectiva, se abrirán muchas aplicaciones, especialmente en la industria de la fundición y la forja, donde Estados Unidos ha perdido gran parte de nuestras capacidades en las últimas décadas", dijo. "Si podemos recuperar parte de eso invirtiendo en tecnología de fabricación avanzada, creo que disfrutaremos de un valor significativo".

Aditivo o no, es este último punto el que ha captado gran parte de la atención de Post, y con razón. “Hemos perdido mucho, no sólo en fundición y forja sino también en otras áreas de fabricación. Cuando se deslocaliza una industria entera, no sólo se pierden los bienes de capital y la infraestructura de construcción; se pierde a la gente y el conocimiento que llevan. Reconstruir eso no es fácil. Necesitamos capacitar a la gente en tecnologías de fabricación avanzadas, crear nuevas industrias basadas en esos servicios y luego brindar apoyo a largo plazo a la industria en su conjunto; Necesitamos hacer que la producción estadounidense sea más rentable y ágil que nunca. Hay una gran oportunidad allí, pero lo más importante es que es lo correcto para nuestro país”.