Un grupo de estudiantes del máster en Diseño e ingeniería para la Fabricación Aditiva de la UPC School de Barcelona (A. Miró, A. Sanchis y T.S. Tello), han desarrollado como proyecto final de máster de la edición actual un caso real de desarrollo de un producto de alto valor añadido para ser fabricado intermediando impresión 3D en metal.
El máster DEFAM se lleva a cabo a la Fundación CIM, un centro tecnológico de Barcelona dedicado a la Fabricación Digital con la triple derramando formativa, investigadora y de transferencia a la industria, líder en impresión 3D, y adscrito en la Universitat Politècnica de Catalunya. Tanto este máster como el resto de la formación que se lleva a cabo a la Fundación CIM UPC tiene un carácter fuertemente industrial y práctico, e incluye un proyecto final basado en algún caso real de interés industrial. Segun su director académico, F. Fenollosa, “La fabricación aditiva es una tecnología disruptiva para la cual la oferta formativa de calidad desde un punto de vista industrial es hoy muy limitada, cuando ya está siendo una urgencia para abrir líneas de negocio basadas en la personalización o en la capacidad de materializar geometrías ultraoptimitzades, como ha sido el caso presente”.
PROYECTO
ADDA es una empresa de diseño digital de Barcelona dedicada a proveer soluciones innovadoras en producto, interiores y arquitectura. El tutor del proyecto y miembro de ADDA, J. Ardanuy, es, a la vez, profesor de Optimización Topológica al Máster DEFAM. Así, ADDA propuso un proyecto relacionado con un producto de escalada denominado cuña activa o «Friend». Este producto se utiliza a la escalada deportiva desequipada, en aquellas vías donde se encuentra una fisura y no hay ninguna otra opción que anclarse en caso de caída. Este artefacto se fabrica de muchos modelos y marcas, pero se centró en un producto de una marca en concreto: la leva TOTEM CAM 1.80 naranja. TOTEM es una prestigiosa empresa cooperativa del País Vasco, que se ha situado como uno de los líderes internacionales de este tipo de productos de ayuda a la escalada gracias a sus conceptos y tecnología.
Izquierda: Lleva TOTEM CAM
Derecha: anclaje en fisura
PROBLEMÁTICA
El escalador, para completar una vía de ascenso, puede llegar a llevar más de una veintena de estos elementos colgados del arnés. Por lo tanto, la reducción de peso en este producto es una propuesta de valor importante que redunda en un esfuerzo de escalada menor.
Esta fue la primera meta a lo largo de todo el proyecto: aprovechar la fabricación aditiva para proponer un nuevo diseño en el cual se obtenga una reducción significativa del peso del elemento, mejorando si era posible su funcionalidad.
COMO SE HA DESARROLLADO?
La primera etapa del proyecto se centró en entender el producto, como funciona y qué son las partes más importantes. Enseguida el foco estuvo en la leva, la parte encargada de anclarse a la pared, y por tanto, la más vital y a la vegada pesada del producto. El siguiente paso fue estudiar su geometría: es un elemento metálico, producido actualmente a través de mecanizado, con dos curvas exteriores que siguen la forma de una espiral logarítmica proporcionando una funcionalidad óptima para su uso.
Esquerra: espiral logarítmica en la cual se basan las levas, dada su característica de mantener constante la tangencia con cualquier ángulo.
Derecha: posicionado de la leva según el ancho de la fisura
Entendido esto, se realizó el estudio de forces que actúan a la leva, introduciendo estos datos en el programa de ensayo virtual por elementos finitos (CAE) para llevar a cabo las simulaciones necesarias. Se utilizaron programas de diseño e ingeniería orientados a la fabricación aditiva de último nivel (Fusion360, Ntopology, Solidworks, Altair…), que son los mismos que se aplican durante el máster en el marco de diferentes proyectos. Después de varias iteraciones de diseño mediante la optimización topológica, y validando los prototipos, se logró un diseño final que mejoraba los valores actuales de resistencia y rigidez de las levas.
Proceso de optimización topológica CAD/CAE de la leva
Dado que el objetivo final era poder obtener este producto mediante fabricación aditiva, se elaboró un análisis de los posibles materiales compatibles y la tecnología que pudieran hacerlo realidad. Actualmente TOTEM fabrica la leva por mecanizado en CNC a partir de una barra de aluminio 6061 T6.
Primero se analizaron los materiales disponibles al mercado que fueran más semblantes en propiedades mecánicas o incluso las superaran, prescribiéndose el uso de AISi19Mg, una aleación de aluminio que mujer muy buenos resultados en impresión 3D metálica. Cerrado el diseño y seleccionado el material, era el momento de estudiar las diferentes tecnologías que pudieran hacer viable la impresión 3D.
Se llegó a la conclusión de utilizar la impresión 3D basada en la fusión en cama de pulso metálico (PBLF), también conocida como Selective Laser Melting (SLM), concretamente las máquinas fabricadas por RENISHAW, modelo Ren500M o Ren500Q. La fusión de polvo de forma selectiva capa a capa mediante láser ofrece hoy en día un nivel de producción y repetibilitat muy ancho, el que resulta en precio/pieza aceptable. Además, la tecnología más aceptada por el mercado en la actualidad (industria aeronáutica y médica), y está dando muy buenos resultados con una alta fiabilidad y resistencia mecánica.
Se imprimió entonces un primer prototipo gracias a MADIT, empresa radicada a Bizkaia que usa la tecnología SLM para llevar a cabo proyectos y producciones otras empresas que buscan incorporar la Fabricación Aditiva Metálica en uno en torno a Industria 4.0. Este prototipo permitió confirmar la viabilidad del proceso productivo, y, en un futuro, es la base para poder realizar ensayos funcionales comparativos con modelos actuales.
Hasta hace unos años, el uso de la tecnología SLM solo podía permitirse en sectores de alto valor añadido como el aeroespacial. Aun así, la estrategia empresarial de MADIT, con un foco alto en la productividad, ha permitido introducir esta tecnología en la industria metal-mecánica general, pudiendo dar servicio a la producción de piezas de la mayoría de sectores (automoción, bienes de consumo, etc.).
Esta tecnología es todavía desconocida por la industria, y por eso MADIT ofrece su apoyo a aquellas iniciativas que demuestran la disruptividat de la Fabricación Aditiva a la industria actual: la industria necesita ver para creer, por mucho que los escaladores no necesiten ver la cumbre para empezar a subir.
Esquerra superior: Prototipo de la leva realizado a MADIT con la tecnología SLM de RENISHAW
Centro: el prototipo final a SLM junto con un prototipo previo a SLS realizado a la CIM UPC
Derecha: Presentación del proyecto del Máster DEFAM
CONCLUSIONES:
El resultado final fue una leva con un 38,5% menos de peso su modelo original, aportando una reducción total en el producto de 20 gramos, 2 gramos menos pesado que el modelo más ligero de la competencia. En este caso, solo se ha optimizado una de las partes del producto, pero justo es decir que se podría extrapolar a otras partes, posicionando la marca en un nuevo modelo ultra light que difícilmente podrá ser superado por la competencia que todavía no ha hecho el salto el hacia la impresión 3D. A nivel de coste, y ante la gran competitividad de la tecnología digital basada en CNC, la tecnología de impresión 3D todavía tiene que bajar barreras al respeto para que la relación valor/coste facilite el salto de la impresión 3D. Otra conclusión es el excelente ejercicio de preparación profesional llevado a cabo por los alumnos, que encaran su incorporación a un mercado laboral necesidad de perfiles tecnológicos realmente diferenciales por una industria en crecimiento.