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En un esfuerzo por avanzar en la fabricación aditiva, un equipo de investigadores, junto con aportaciones de la NASA, ha impreso en 3D una rueda idéntica a un diseño utilizado por la agencia espacial para su robot lunar. El proceso destaca cómo se puede utilizar la tecnología para piezas especializadas necesarias para la exploración espacial.

Para el equipo del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía, las ruedas livianas del rover de exploración polar de investigación de volátiles (VIPER) sirvieron de inspiración para su diseño. La NASA espera utilizar un robot móvil en 2024 para estudiar el hielo y otros posibles recursos cerca del polo sur de la Luna.

Aunque la rueda no se utilizará en el rover real, la NASA evaluará el rendimiento de la rueda impresa en comparación con una rueda construida convencionalmente que se utilizará en la Luna el próximo año.

Si bien permite la complejidad del diseño y la personalización de las características del material, la impresión aditiva puede reducir el consumo de energía, el desperdicio de material y los plazos de entrega.

La Instalación de Demostración de Fabricación (MDF) situada en ORNL, que imprimió la rueda en 3D, ha estado desarrollando la tecnología durante más de diez años para una variedad de usos en las industrias industrial, de transporte y de energía limpia.

En lo que respecta al proceso de producción, incluyó láseres sincronizados, una placa de construcción giratoria y una impresora 3D personalizada, que se utilizaron para fundir con precisión el polvo metálico en la forma deseada. Los sistemas de lecho de polvo metálico estándar funcionan en los siguientes pasos: rastrillan una capa de polvo sobre una placa fija en una máquina del tamaño de un gabinete. Luego, un láser funde selectivamente una capa antes de bajar suavemente la placa y repetir el procedimiento.

Según Peter Wang, que supervisa el desarrollo de MDF de nuevos sistemas de fusión láser de lecho de polvo, la impresora utilizada para el prototipo de rueda móvil es lo suficientemente grande como para que entre una persona y es excepcional en su capacidad para imprimir artículos sustanciales mientras las etapas se desarrollan al mismo tiempo y constantemente. Lo que también fue clave fue "el software desarrollado en ORNL para "cortar" el diseño de la rueda en capas verticales y luego equilibrar la carga de trabajo entre los dos láseres para imprimir de manera uniforme, logrando una alta tasa de producción", dijo un comunicado de ORNL.

El equipo dice que este proceso aumentó la tasa de producción, ayudando a que la deposición se produjera un 50 por ciento más rápido. "Sólo estamos arañando la superficie de lo que el sistema puede hacer. Realmente creo que este será el futuro de la impresión láser en lecho de polvo, especialmente a gran escala y en producción en masa", afirmó Wang.

En la revista Mary Ann Liebert se publicó un estudio sobre su trabajo con la fabricación aditiva.

Las dimensiones de la rueda impresa en 3D eran de alrededor de 8 pulgadas de ancho y 20 pulgadas de circunferencia, y estaba hecha de una aleación a base de níquel. Según el equipo, la tecnología de impresión aditiva utilizada mostró la capacidad de imprimir finos detalles geométricos en una gran área de trabajo, lo que permitió lograr complejidad en el diseño de la llanta sin aumentar los costos ni complicar la fabricación.

Las cuatro ruedas VIPER se utilizarán el próximo año; por el contrario, necesitaban varios procedimientos de fabricación y pasos de montaje. La llanta de 50 piezas del VIPER está unida mediante remaches en 360 puntos. Los exigentes requisitos de la misión requerían un procedimiento de producción sofisticado y que requería mucha mano de obra.

Por el contrario, los futuros rovers podrían emplear una única llanta impresa, cuya creación le tomó al ORNL solo 40 horas, si las pruebas de la NASA demuestran que el prototipo impreso en 3D es tan duradero como las ruedas construidas tradicionalmente.

Los investigadores dijeron que el proceso de fabricación aditiva permitió a los expertos del ORNL y la NASA investigar la impresión de elementos de diseño precisos, incluidas paredes laterales en ángulo, una forma abovedada y una banda de rodadura ondulada, para aumentar la rigidez de la rueda. Utilizando técnicas de fabricación convencionales, es imposible incluir estas características en el actual diseño de rueda VIPER. A pesar de permitir una rueda con un patrón de radios más complejo y capacidades de bloqueo de radios, la impresión 3D hizo que el diseño de la rueda fuera más simple, más barato y más fácil de ensamblar.

Una limitación de este proceso es que la rueda impresa en 3D es un 50 por ciento más pesada que la rueda VIPER de aluminio convencional y se crea con el mismo grosor. Esto se debe a la dificultad de utilizar la imprenta especializada, que sólo puede construir con materiales específicos (en este caso, una aleación a base de níquel).

La agencia espacial está preparada para realizar pruebas exhaustivas de la rueda impresa en 3D en un rover en una de sus instalaciones en el Centro Espacial Johnson de la NASA para evaluar la maniobrabilidad de la rueda, la resistencia al giro, el deslizamiento lateral, la subida de pendientes y otras métricas de rendimiento. Si los resultados son satisfactorios, se espera que llegue muy pronto a los vehículos espaciales de la agencia espacial.