viernes 25 de junio de 2021
MANTENIMIENTO | 24-11-2018 08:19

Más livianos y eficientes, capa por capa

Los pistones fabricados con sistemas de impresión 3D serán empleados en motores Diesel de automóviles a partir del 2020 en diferentes modelos de Mercedes-Benz, BMW y Porsche, así como en el súper deportivo Blade.

Aplicando el método de impresión en tres dimensiones (3D) llamado fusión selectiva por láser (Selective Laser Melting, SLM), se ha creado un pistón metálico impreso súper resistente no sólido, con una estructura alveolar en panal de abejas y con formación de la pieza capa por capa, que reduce el peso en el 25 por ciento.

Estos pistones debutarán en el motor de 700 CV del automóvil deportivo Blade producido en los Estados Unidos, a un ritmo de mil unidades anuales. Fue diseñado por el ingeniero Kevin Czinger. El método SLM es un sistema de fabricación especialmente desarrollado para la impresión 3D de aleaciones metálicas. Genera piezas fundiendo las partículas de polvo de metal en un proceso de fusión integral.

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La pieza de metal se crea, como hemos señalado, capa por capa, de acuerdo al modelo 3D. La tecnología SLM funde totalmente el polvo, por lo tanto necesita alcanzar una temperatura superior a la primera técnica de impresión 3D de metales. La cabina donde se realiza la impresión o fabricación está rellena de un gas inerte (argón o nitrógeno con niveles de oxígeno inferiores a 500 partes por millón) a fin de crear las condiciones perfectas para la fundición.

El proceso de fusión completa permite que el metal conforme un bloque homogéneo con una gran resistencia. Se adapta perfectamente a los metales puros como el aluminio o el titanio.

Los pasos del proceso SLM, patentado por vez primera en 1995 por el Instituto Fraunhofer de Alemania, son los mismos que los de otras tecnologías de adición de materiales (técnica aditiva) basadas en láser: en primer lugar se aplica un rodillo a una capa de metal, a continuación, el láser sintetiza el polvo de acuerdo con el modelo de archivo 3D y la plataforma desciende antes de aplicar una nueva capa de polvo.

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El proceso se repetirá las veces que sea necesario hasta que se cree la pieza deseada. Una vez que esté terminada, la pieza metálica utiliza elementos de apoyo con el fin de reforzar los pequeños ángulos y salientes de las piezas, pero también para pegar el diseño a la bandeja.

Estos elementos de apoyo se pueden retirar manualmente después del enfriamiento. Habitualmente se utilizan diversas técnicas de acabado, tales como el fresado o el tratamiento térmico después de la impresión con el fin de alcanzar los requisitos funcionales de la pieza.

Los pistones impresos de IAV son de aluminio con la incorporación de partículas en cerámica, de acuerdo al concepto AL MMC Aluminium Metal Matrix Composites, es decir material compuesto con matriz de aluminio.

Muchas ventajas

Los pistones de los motores actuales son de aluminio o acero de fundición o forjados, y muchos incluyen canales internos que transportan aceite para el enfriamiento de sus cabezas, las partes más críticas.

Con los pistones impresos por láser no solo se obtiene una significativa reducción del peso, sino que son más resistentes a las altas temperaturas y de producción más rápida. Además, se reducen las pérdidas por fricción y las parásitas, y se mejoran las propiedades del material con relación a los diseños tradicionales en un 75 por ciento.

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Los pistones impresos también pueden incluir conductos internos para la circulación de aceite que extrae el calor excesivo durante el funcionamiento. De acuerdo a lo que señala el ingeniero Robert Dolan de IAV, el estudio del diseño para comenzar la fabricación de un pistón tradicional insume al menos 12 semanas, tiempo que se reduce a menos de una semana con los pistones impresos.

Y también remarca que el concepto del panal de abejas es el ideal para aumentar la resistencia del pistón a las cargas mecánicas y térmicas. El citado profesional también explica que el tiempo de fabricación de un pistón impreso es de 12 a 24 horas, de acuerdo a su tamaño. Constantemente bombeando, los pistones se desplazan en promedio a 12 metros por segundo en los cilindros y, junto a los neumáticos, son una de las piezas más castigadas del automóvil.

El desarrollo

El origen del pistón puede remontarse al del cañón: de hecho, en esta máquina el proyectil (inicialmente esférico y luego cilíndrico) es conducido por la caña y empujado por la elevada presión de la explosión.

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Los primeros intentos de un motor de combustión interna en el siglo XVI se basaban en el cañón, puesto que usaban como combustible pólvora negra. En 1873, gracias al norteamericano Brayton, la forma del pistón, de cuerpo cilíndrico, se hizo cada vez más compleja y similar a la configuración actual: se introdujeron los aros elásticos con sus correspondientes alojamientos, y los agujeros del perno fueron dotados de una zona de robustecimiento interno.

El material con que se construía fue durante muchos años la fundición de hierro. En el año 1911, la fábrica Hispano Suiza introdujo los pistones de aluminio, obteniendo una notable ventaja en cuanto a ligereza. Sin embargo, la mayor dilatación térmica del aluminio (tres veces superior a la de la fundición) y el consiguiente peligro de agarre condujeron a los demás constructores de motores a conservar aún durante un decenio los pistones de fundición, limitando el peso mediante la reducción del peso del material.

A partir de la década de 1920, gracias a las nuevas aleaciones ligeras y a las técnicas de fusión y de mecanización mejoradas, el pistón del aluminio comenzó a sustituir al de fundición.

Estudios complejos

El diseño del pistón se ha convertido en un tema muy complicado. Sobre él actúan fuerzas muy grandes, pero nunca constantes. Durante la carrera de combustión, la presión existente en el cilindro lo empuja hacia abajo, pero en las otras tres carreras apenas hay presión, y es el cigüeñal, a través de la biela, el que lo dirige.

Además, el pistón se acelera y desacelera a una enorme velocidad. En la parte superior e inferior de su carrera (es decir, en los puntos muertos superior a inferior) permanece inmóvil, pero entre ambos puntos se desplaza a una velocidad muy alta, tanto que puede recorrer toda la longitud de la carrera más de cien veces por segundo en un motor de alto rendimiento a la máxima potencia.

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El pistón está sometido a un calor muy intenso durante la carrera de combustión, pero acto seguido tiene que tomar una carga de aire nuevo y frío, de modo que con estos cambios de temperatura también está sometida a una gran tensión térmica. Según razona el ingeniero inglés Jeff Daniels, el pistón debe ser lo suficientemente robusto para resistir estas fuerzas y, al mismo tiempo, lo más liviano posible.

Cuanto más pesa, mayores son las fuerzas de inercia que él mismo genera al acelerar, y no hay que olvidar que estas fuerzas han de ser reaccionadas por el cigüeñal y el resto del motor. Uno de los secretos para conseguir un pistón liviano es recortarlo todo lo que se pueda. Si miramos un pistón de hace cincuenta años o más, enfatiza otro ingeniero de IAV, Thaddaeus Delebinski, veremos que tiene una forma cilíndrica muy pronunciada, ya que los técnicos estaban obsesionados en garantizar, en todo momento, se mantuviese recto dentro del cilindro. Sus equivalentes modernos parecen increíblemente frágiles.

Con una falda (la sección situada debajo del perno) con cortes laterales que sólo dejan dos pequeñas secciones para evitar que el pistón se ladee en torno a su eje. El cualquier caso, mediante un diseño muy cuidado se consigue equilibrar las fuerzas que actúan sobre el pistón, reduciendo al mínimo cualquier ladeo.

Como parte del proceso de hacer que los pistones modernos sean más livianos y compactos, sus aros se hacen más estrechos y menos profundos, y se colocan más juntos entre sí y más altos hacia la cabeza del pistón, lo que hace que se exija más de los materiales con los que se elaboran y estos obligan a fabricarlos con una mayor precisión.

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