Un grup d’estudiants del màster en Disseny i Enginyeria per a la Fabricació Additiva de la UPC School de Barcelona (A. Miró, A. Sanchis i T.S. Tello), han desenvolupat com a projecte final de màster de l’edició actual un cas real de desenvolupament d’un producte d’alt valor afegit per ser fabricat mitjançant impressió 3D en metall.
El màster DEFAM es duu a terme a la Fundació CIM, un centre tecnològic de Barcelona dedicat a la Fabricació Digital amb la triple vessant formativa, investigadora i de transferència a la indústria, líder en impressió 3D, i adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya. Tant aquest màster com la resta de la formació que es duu a terme a la Fundació CIM UPC té un caràcter fortament industrial i pràctic, i inclou un projecte final basat en algun cas real d’interès industrial. Segons el seu director acadèmic, F. Fenollosa, “La fabricació additiva és una tecnologia disruptiva per a la qual l’oferta formativa de qualitat des d’un punt de vista industrial és avui molt limitada, quan ja està sent una urgència per tal d’obrir línies de negoci basades en la personalització o en la capacitat de materialitzar geometries ultraoptimitzades, com ha estat el cas present”.
PROJECTE
ADDA és una empresa de disseny digital de Barcelona dedicada a proveir solucions innovadores en producte, interiors i arquitectura. El tutor del projecte i membre d’ADDA, J. Ardanuy, és, a la vegada, professor d’Optimització Topològica al Màster DEFAM. Així, ADDA va proposar un projecte relacionat amb un producte d’escalada anomenat cunya activa o “Friend”. Aquest producte s’utilitza a l’escalada esportiva desequipada, en aquelles vies on es troba una fissura i no hi ha cap altra opció que ancorar-se en cas de caiguda. Aquest artefacte es fabrica de molts models i marques, però es va centrar en un producte d’una marca en concret: la lleva TOTEM CAM 1.80 taronja. TOTEM és una prestigiosa empresa cooperativa del País Basc, que s’ha situat com un dels líders internacionals d’aquest tipus de productes d’ajuda a l’escalada gràcies als seus conceptes i tecnologia.
Esquerra: Lleva TOTEM CAM
Dreta: ancoratge en fissura
PROBLEMÀTICA
L’escalador, per tal de completar una via d’ascens, pot arribar a portar més d’una vintena d’aquests elements penjats de l’arnès. Per tant, la reducció de pes en aquest producte és una proposta de valor important que redunda en un esforç d’escalada menor.
Aquesta va ser la primera meta al llarg de tot el projecte: aprofitar la fabricació additiva per proposar un nou disseny en el qual s’obtingui una reducció significativa del pes de l’element, millorant si era possible la seva funcionalitat.
COM S’HA DESENVOLUPAT?
La primera etapa del projecte es va centrar en entendre el producte, com funciona i quines són les parts més importants. De seguida el focus estigué en la lleva, la part encarregada d’ancorar-se a la paret, i per tant, la més vital i a la vegada pesada del producte. El següent pas va ser estudiar la seva geometria: és un element metàl·lic, produït actualment a través de mecanitzat, amb dues corbes exteriors que segueixen la forma d’una espiral logarítmica proporcionant una funcionalitat òptima per al seu ús.
Esquerra: espiral logarítmica en la qual es basen les lleves, donada la seva característica de mantenir constant la tangència amb qualsevol angle.
Dreta: posicionat de la lleva segons l’ample de la fissura
Entès això, es va realitzar l’estudi de forces que actuen a la lleva, introduint aquestes dades al programa d’assaig virtual per elements finits (CAE) per dur a terme les simulacions necessàries. Es van utilitzar programes de disseny i enginyeria orientats a la fabricació additiva d’últim nivell (Fusion360, Ntopology, Solidworks, Altair…), que són els mateixos que s’apliquen durant el màster en el marc de diferents projectes. Després de diverses iteracions de disseny mitjançant l’optimització topològica, i validant els prototips, es va assolir un disseny final que millorava els valors actuals de resistència i rigidesa de les lleves.
Procés d’optimització topològica CAD/CAE de la lleva
Donat que l’objectiu final era poder obtenir aquest producte mitjançant fabricació additiva, es va elaborar una anàlisi dels possibles materials compatibles i la tecnologia que poguessin fer-lo realitat. Actualment TOTEM fabrica la lleva per mecanitzat en CNC a partir d’una barra d’alumini 6061 T6.
Primer es van analitzar els materials disponibles al mercat que fossin més semblants en propietats mecàniques o inclús les superessin, prescrivint-se l’ús d’AISi19Mg, un aliatge d’alumini que dona molt bons resultats en impressió 3D metàl·lica. Tancat el disseny i seleccionat el material, era el moment d’estudiar les diferents tecnologies que poguessin fer viable la impressió 3D.
Es va arribar a la conclusió d’utilitzar la impressió 3D basada en la fusió en llit de pols metàl·lic (PBLF), també coneguda com Selective Laser Melting (SLM), concretament les màquines fabricades per RENISHAW, model Ren500M o Ren500Q. La fusió de pols de forma selectiva capa a capa mitjançant làser ofereix avui en dia un nivell de producció i repetibilitat molt ample, el que resulta en preu/peça acceptable. A més, la tecnologia més acceptada pel mercat en l’actualitat (indústria aeronàutica i mèdica), i està donant molt bons resultats amb una alta fiabilitat i resistència mecànica.
Es va imprimir aleshores un primer prototip gràcies a MADIT, empresa radicada a Bizkaia que fa servir la tecnologia SLM per dur a terme projectes i produccions d’altres empreses que busquen incorporar la Fabricació Additiva Metàl·lica en un entorn d’Indústria 4.0. Aquest prototip va permetre confirmar la viabilitat del procés productiu, i, en un futur, és la base per poder realitzar assajos funcionals comparatius amb models actuals.
Fins fa uns anys, l’ús de la tecnologia SLM només podia permetre’s en sectors d’alt valor afegit com l’aeroespacial. Tanmateix, l’estratègia empresarial de MADIT, amb un focus alt en la productivitat, ha permès introduir aquesta tecnologia a la indústria metall-mecànica general, podent donar servei a la producció de peces de la majoria de sectors (automoció, béns de consum, etc.).
Aquesta tecnologia és encara desconeguda per la indústria, i per això MADIT ofereix el seu suport a aquelles iniciatives que demostren la disruptivitat de la Fabricació Additiva a la indústria actual: la indústria necessita veure per creure, per molt que els escaladors no necessitin veure el cim per començar a pujar.
Esquerra superior: Prototip de la lleva realitzat a MADIT amb la tecnologia SLM de RENISHAW
Centre: el prototip final a SLM junt amb un prototip previ a SLS realitzat al CIM UPC
Dreta: Presentació del projecte del Màster DEFAM
CONCLUSIONS:
El resultat final va ser una lleva amb un 38,5% menys de pes que el seu model original, aportant una reducció total al producte de 20 grams, 2 grams menys pesat que el model més lleuger de la competència. En aquest cas, només s’ha optimitzat una de les parts del producte, però val a dir que es podria extrapolar a altres parts, posicionant la marca en un nou model ultra light que difícilment podrà ser superat per la competència que encara no ha fet el salt el cap a la impressió 3D. A nivell de cost, i davant la gran competitivitat de la tecnologia digital basada en CNC, la tecnologia d’impressió 3D encara ha de baixar barreres al respecte per tal que la relació valor/cost faciliti el salt de la impressió 3D. Una altra conclusió és l’excel·lent exercici de preparació professional dut a terme pels alumnes, que encaren la seva incorporació a un mercat laboral necessitat de perfils tecnològics realment diferencials per una indústria en creixement.