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Alcanzar la cima gracias al diseño y la ingeniería para impresión 3D: una nueva generación de levas de escalada

Un grupo de estudiantes del máster en Diseño e Ingeniería para la Fabricación Aditiva de la UPC School de Barcelona (A. Miró, A. Sanchis, J. Solans y T.S.Tello), han desarrollado como proyecto final de máster de la presente edición un caso real de desarrollo de un producto de alto valor añadido para ser fabricado mediante impresión 3D en metal. 
 

El máster DEFAM se lleva a término en la Fundación CIM, un centro tecnológico de Barcelona dedicado a la Fabricación Digital con la triple vertiente formativa, investigadora y de transferencia a la industria, líder en impresión 3D, y adscrito a la Universidad Politécnica de Catalunya. Tanto este máster como el resto de formación que se lleva a término en la Fundación CIM UPC tiene un carácter fuertemente industrial y práctico, incluye un proyecto final basado en algún caso real de interés industrial. Según 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 a fin de abrir líneas de negocio basadas en la personalización o en la capacidad de materializar geometrías ultraoptimizadas, como ha sido el presente caso”.  

 

 

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 en el Máster DEFAM. Así, ADDA propuso un proyecto relacionado con un producto de escalada llamado cuña activa o "Friend". Este producto se utiliza en la escalada deportiva desequipada, en aquellas vías donde se encuentra una fisura y no hay 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.

Izquiera: Leva 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 colgando del arnés. Por lo tanto, la reducción de peso en este producto es una propuesta de valor importante que redunda en un menor esfuerzo de escalada.

Esta fue la meta a lo largo de todo el proyecto: aprovechar la fabricación aditiva para proponer un nuevo diseño en el que se obtenga una reducción significativa en el peso del elemento, mejorando si era posible su funcionalidad.

 

¿CÓMO SE HA DESARROLLADO?

La primera etapa del proyecto se centró en entender el producto, cómo funciona y cuáles 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 vez pesada del producto. El siguiente paso fue estudiar su geometría: es un elemento metálico, producido actualmente por mecanizado, con dos curvas exteriores que siguen la forma de una espiral logarítmica proporcionando una funcionalidad óptima para su uso.

 

Izquierda: 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 la anchura de la fisura

 
Entendido esto, se realizó el estudio de fuerzas que actúan en la leva, introduciendo estos datos en el programa de ensayo virtual por elementos finitos (CAE) para llevar a término las simulaciones necesarias. Se usaron programas de diseño e ingeniería orientados a la fabricación aditiva de último nivel (Fusion360, Ntopology, Solidworks, Altair...) que son los mismos aplicados a lo largo del máster en el marco de distintos proyectos. Tras varias iteraciones de diseño mediante optimización topológica, y validando los prototipos, se alcanzó 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 nuevo producto mediante fabricación aditiva, se elaboró un análisis de los posibles materiales compatibles y tecnología que pudiera llevarlo a la realidad. Actualmente TOTEM fabrica la leva por mecanizado en CNC a partir de una barra de aluminio 6061 T6. 

Primero se analizó los materiales disponibles en el mercado que fueran más parecidas en propiedades mecánicas o incluso los superaran, prescribiéndose el uso de AlSi10Mg, una aleación de aluminio que da muy buenos resultados en impresión 3D metálica. Cerrado el diseño y seleccionado el material, fue 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 fusión en cama de polvo 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 día un nivel de producción y repetibilidad muy amplia, lo que deja un precio/pieza aceptable. Además, es 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 en Bizkaia que usa la tecnología SLM para llevar a cabo proyectos y producciones de otras empresas que buscan incorporar la Fabricación Aditiva Metálica en un entorno de 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. Sin embargo, la estrategia empresarial de MADIT, con un alto foco 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 aún desconocida por la industria por lo que MADIT ofrece su apoyo a aquellas iniciativas que demuestran la disruptividad de la Fabricación Aditiva en la industria actual: la industria necesita ver para creer, por mucho que los escaladores no necesiten ver la cumbre para empezar a subir.