Revista de Energia de Hoy

Lunes, 17 Octubre 2016 10:09

Impresoras 3D: el nuevo “secreto” de los servicios de mantenimiento de plantas de generación de energía

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Olivier Bécle. Director General. Divisiones Power&Gas y Power Generation Services. Siemens SA

La digitalización y las renovables hacen que el mercado de la energía sea cada vez más complejo y tenga nuevas necesidades. Así mismo los costes de electricidad impactan directamente en la competitividad de nuestro tejido industrial. De ahí la importancia de implementar medidas que aumenten su eficiencia para que, de esta forma, consigan ser más rentables. EL suministro de energía debe ser asequible, seguro y estable, tanto para empresas como para el consumidor final.

Una de las más eficientes fuentes de energía térmica y eléctrica para las fábricas industriales es la cogeneración. En España existen aproximadamente más de 4.000 MW de cogeneración en operación, en su mayoría ligados a la industria. Alrededor del 15% del PIB industrial español está representado por sectores donde la cogeneración es primordial para su competitividad y es hasta clave para la continuidad industrias como papel, química, refinería, cerámica, alimentación o automóvil. Por tanto, a día de hoy resulta fundamental asegurar una operatividad eficiente y fiable en todo el ciclo de vida de una planta de este tipo, de forma que se pueda aumentar su rentabilidad y así garantizar su futuro y el de todas las industrias a las que abastece.

Por ello, una de las principales vías para asegurar su perdurabilidad es contar con un servicio de mantenimiento y reparación eficientes que permitan optimizar el rendimiento y fiabilidad de la planta y reducir los tiempos de reparación en caso de avería. Consciente de ello, Siemens, compañía global líder en tecnología, trabaja en optimizar los costes de los servicios de mantenimiento. Una apuesta acertada ha sido la fabricación aditiva o impresoras 3D. La Fabricación Aditiva es una tecnología que permite de forma simultánea mejorar el rendimiento de los componentes y reducir su tiempo de entrega. Gracias al láser de fusión selectivo (SLM), Siemens puede acceder a una nueva dimensión capaz de integrar el diseño y la fabricación, sin casi ningún tipo de limitación y con tiempos de entrega extremadamente cortos. Sin duda, el gran “secreto” a futuros de los servicios de mantenimiento de las plantas de generación de energía.

La fabricación aditiva es un proceso que partiendo del polvo de aleación metálica, construye la pieza capa a capa, a partir de modelos de CAD. También conocida como impresión 3D, esta tecnología ha sido capaz inicialmente de construir prototipos de verificación de diseño. Con los recientes avances tecnológicos, se ha podido industrializar la fabricación aditiva y pasar de producir pocas piezas a series de componentes. Esto se debe a que los tipos de láser utilizados para ello ahora son capaces de fundir aleaciones metálicas de alto rendimiento, que son necesarias para la fabricación de componentes de turbinas de gas o de motores a reacción.

La generación de energía es uno de los campos de mayor dificultad para aplicar la Fabricación Aditiva, sobre todo por las condiciones de trabajo de las piezas implicadas, como sus extremadamente altas temperaturas, presión, y velocidad de rotación. Desde hace dos lustros, Siemens ha realizado una fuerte inversión en I+D en esta área para desarrollar el potencial del láser de fusión selectivo (SLM) al máximo. Con las impresoras 3D, componentes complejos con multi-elementos se producen como una única parte integrada y, en muchos casos, con menor coste, menor plazo y mejores prestaciones (por ejemplo, es el caso de los quemadores de turbina de gas, con bajas emisiones y una mayor vida del producto; o los álabes de turbina, con una mejor eficiencia en refrigeración y una vida más prolongada). A día de hoy, Siemens está aplicando esta tecnología principalmente para tres funciones: conseguir un prototipo de forma rápida, contar con una rápida reparación y disponer de una rápida fabricación.

Rápido prototipo

La integración de la Fabricación Aditiva (AM) en el proceso de desarrollo del producto permite acelerar de forma significativa el diseño y la validación de nuevos componentes y sistemas, así como asegurar una alta fiabilidad y rendimiento de los componentes recién diseñados antes de realizar las pruebas finales en turbina y el lanzamiento del producto.

 

Anteriormente, la utilización de los métodos convencionales (como por ejemplo la fundición), conllevaban un largo tiempo de entrega, por lo que la prueba de validación del prototipo se realizaba casi al final del proceso de desarrollo, durante la prueba final de la turbina. Esta es una de las principales desventajas del uso de estos procedimientos de desarrollo, pero no es la única. Otras de las principales consecuencias son: proceso de desarrollo secuencial, un planteamiento conservador en el desarrollo de las piezas, unos objetivos y resultados moderados y contar con largos ciclos de desarrollo.

 

Sin embargo, cuando la Fabricación Aditiva (AM) está integrada como parte del proceso de desarrollo, se obtienen ventajas, como: procesos de fabricación paralelos e integrados, cambios radicales en el planteamiento de desarrollo de las piezas, objetivos y resultados más ambiciosos y ciclos de desarrollo más rápidos.

Reparación diez veces más rápida

La tecnología AM para la reparación de los componentes también tiene un enorme potencial. Uno de los beneficios más sorprendentes es que las zonas dañadas de las piezas se pueden retirar y reconstruir de nuevo. Se estima que, del mismo modo que ocurre en el proceso de fabricación de las nuevas, el tiempo de entrega de piezas reparadas se reduce, sobre todo en piezas con estructuras complejas o que requieren de materias primas que tienen plazos de entrega largos.

 

De hecho, se ha podido comprobar que reparar la boquilla del quemador de la turbina SGT-700 utilizando el láser de fusión selectivo (SLM) es diez veces más rápido que con los métodos convencionales. Los anteriores procedimientos requieren primero realizar una prefabricación de la mayor parte de la boquilla. Después, esta boquilla prefabricada se sustituye por la original transcurrido un tiempo de operación determinado y entonces el original se desmontaba y la boquilla prefabricada se suelda al quemador. Este procedimiento conlleva un largo proceso que cuenta a su vez con otros subprocesos y pruebas.

 

Fabricación rápida y bajo demanda

La industrialización de la tecnología AM también abre nuevas vías para mejorar las piezas de repuesto y todo el proceso de supply chain. Entre ellas, destacan: la posibilidad de fabricación de piezas de repuesto bajo demanda, la regionalizaciónde la reparación y fabricación de los componentes de turbinas, la simplificación de la logística así como la reducción de la inversión en stocks (almacenaje).

 

Actualmente, la división de Siemens Power Generation Services se está centrando en la industrialización de la tecnología (SLM) para la reparación y la rápida fabricación de componentes de sus turbinas de gas. Hoy, Siemens tiene en operación comercial tubinas equipadas con quemadores de combustible que montan torbellinadores fabricados con tecnología SLM, la única tecnología que puede producirlo. En los próximos años, Siemens planea poder extender el alcance de la Fabricación Aditiva también a los quemadores, los protectores térmicos y álabes guía del estátor de turbina.

Lo que sí está claro es que la Fabricación Aditiva supone una revolución en la producción de piezas de repuesto, debido a las opciones que ofrece, como reducción del tiempo de entrega; rápida disponibilidad al no necesitar herramientas; producción bajo demanda que elimina inventarios de piezas y permite la creación rápida de nuevos diseños de prototipos, ya que se pueden imprimir y probar de forma inmediata; mejora de la integridad mecánica de las piezas; intervalos de mantenimientos más largos; y contar con unos procesos de producción respetuosos con el medio ambiente, gracias a la excepcional eficiencia de los recursos de Fabricación Aditiva donde el polvo es reutilizable.

Sin embargo, hay algunos aspectos que dificultan el uso de la Fabricación Aditiva. Por un lado, el proceso de desarrollo es lento y es necesario mejorar los equipos. Por otro lado los materiales disponibles todavía no cumplen todos los requisitos de la industria para ciertas aplicaciones. Para poder seguir avanzando, la comunidad de investigadores y la propia industria necesitan resolver todos estos retos de forma conjunta y así acelerar la industrialización de la fabricación aditiva utilizando todo su potencial.

Probablemente, la posibilidad que otorgan las impresoras 3D de poder fabricar los álabes de las turbinas en una sola pieza podría mejorar su refrigeración, pero aún es necesario realizar más progresos para poder llegar a conseguirlo. Y es que a pesar de todos los avances logrados, las fábricas a día de hoy siguen produciendo estas piezas con los métodos tradicionales de forja, moldeo, fresado…, ya que aún queda mucho camino por recorrer para que esta aplicación esté al alcance de todos.

La nueva apuesta de Siemens en Fabricación Aditiva

Siemens, convencida del potencial de la Fabricación Aditiva para sus servicios de mantenimiento y reparación, ha decidido fortalecer su posición en el sector a través de la adquisición de la compañía británica Material Solutions Ltd. del Reino Unido, con un 85% de participación. Se trata de uno de los líderes mundiales en procesamiento y producción de materiales de fabricación aditiva.

La compañía es pionera en el uso de la tecnología de láser de fusión selectivo (SLM) para la fabricación de piezas de metal de alto rendimiento. Además, es especialista en la creación de partes para turbomáquinas, particularmente para aplicaciones de alta temperatura para turbinas de gas donde la precisión, el acabado de la superficie y la alta calidad de los materiales, fundamental para asegurar el rendimiento operativo de las partes durante el servicio.

Pero este no es el único paso de Siemens en su apuesta por la fabricación aditiva. En febrero de este mismo año, la compañía ya abrió una planta de producción para componentes de metal con impresoras 3D. Inversión que ha supuesto un avance importante en su estrategia para la producción en masa y la reparación de componentes de metal con Fabricación Aditiva.

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