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La impresión 3D se impone al acero en un prototipo de BMW: la Universidad de Clemson consigue ahorrar un 75 % en los costes del proyecto Deep Orange

La Universidad de Clemson, una de las veinte mejores universidades del país según US News and World Report, es sede del único departamento de ingeniería de automoción para licenciados de la nación. Este departamento está ubicado el Centro Internacional de Investigación de la Automoción de la Universidad de Clemson (CU-ICAR, por sus siglas en inglés). Además de contar con un excelente programa de investigación y un excelente cuerpo docente, el CU-ICAR atrae a muchos estudiantes y empresas con su proyecto Deep Orange. Deep Orange es un proyecto de dos años de duración en el que los alumnos tienen que crear un prototipo de un vehículo para obtener el máster o el doctorado en ingeniería de la automoción. Desde el momento en que se incorporan al programa hasta su graduación, los estudiantes se ven inmersos en todo el proceso práctico de creación del vehículo: diseño, ingeniería, creación del prototipo y producción.

El equipo del proyecto Deep Orange
El equipo del proyecto Deep Orange

En 2011, el CU-ICAR lanzó su cuarto proyecto Deep Orange con el patrocinio de BMW Manufacturing, Co, que también indicó cuáles eran los principales objetivos del proyecto. BMW quería que el vehículo Deep Orange 4 se basara en el BMW X3, cuyo nicho de mercado son clientes de vehículos SUV de alto rendimiento que buscan las mejores prestaciones y una gran capacidad, así como un diseño de lujo y una experiencia de primera clase. BMW también especificó que buscaba un plan de fabricación de bajo volumen que fuera económico y no tuviera un impacto negativo en los procesos de producción existentes.

Lo primero que hicieron los estudiantes fue realizar un análisis de mercado y crear tres perfiles que representaban el tipo de población y el estilo de vida de los consumidores que comprarían un vehículo totalmente renovado de BMW. Utilizando estos perfiles, elaboraron casos de uso que ayudaran a definir las interacciones que el mercado objetivo tendría con el vehículo y a crear la experiencia final de conducción.

Después de analizar los perfiles, el equipo estableció dos objetivos de diseño principales:

  • Un crossover compacto con prestaciones de “pick-up”: para ajustarse al estilo de vida urbano de los perfiles, el vehículo debía ser compacto y tener un consumo aceptable, pero, al mismo tiempo, era necesario que tuviera capacidad de remolque y una gran amplitud de carga: una solución única en el mercado actual de los SUV crossover pequeños.
  • Versatilidad: para conseguir las prestaciones de una “pick-up” en un vehículo compacto, el diseño tenía que estar dotado de una funcionalidad capaz de transformar con facilidad el espacio y crear más capacidad cuando fuera necesario.

El diseño resultante tenía muchas y asombrosas características, que lo diferenciaban claramente del BMW X3, como:

  • Techo deslizante: el techo de cristal deslizante transforma el cubículo cerrado del maletero en una zona abierta con las prestaciones de una furgoneta “pick-up”.
  • Luna trasera: el mecanismo de la luna trasera está situado detrás de los asientos traseros para sellar la cabina y proteger a los pasajeros cuando el vehículo está en modo camión. Esta luna es también retráctil para permitir un espacio de carga adicional.
  • Asientos traseros: los asientos traseros se pueden tumbar por completo para transformarlos en el suelo de la zona de carga.
  • Puertas traseras: para facilitar el acceso al espacio abierto de carga, la puerta trasera del maletero se ha reemplazado por dos puertas que se abren sobre una bisagra, como las puertas de un camión.
Prototipos impresos en 3D de Stratasys Direct Manufacturing fabricados con el sistema de producción 3D Fortus 900mc instalados sobre el chasis
Prototipos impresos en 3D de Stratasys Direct Manufacturing fabricados con el sistema de producción 3D Fortus 900mc instalados sobre el chasis

Una vez que tuvieron el concepto de diseño, el equipo del CU-ICAR comenzó a trabajar en una estrategia para la creación del prototipo y en el plan de fabricación. Como estaban diseñando una variante del BMW X3, no tuvieron que empezar desde cero; sin embargo, para integrar todos los cambios de diseño, el vehículo necesitaba una nueva puerta trasera, un nuevo techo, nuevos paneles, nuevos marcos laterales, nuevos raíles de guía y nuevas ventanas.

En un principio, el equipo diseñó las nuevas piezas para que se fabricaran con estampación de acero, donde las piezas de metal se moldean entre una herramienta y un molde. Pero, cuando recibieron la oferta económica de la planta de moldeado de metal a partir de los archivos de diseño, vieron que el presupuesto de Deep Orange no podía hacer frente a los elevados costes que suponía crear estas grandes piezas en acero. Además, los plazos de la planta metalúrgica no se ajustaban a las fechas límite del proyecto.

“Aun con las excelentes relaciones que tenemos con los proveedores de fabricación, no tenía sentido estampar en acero estas piezas tan grandes”, afirmó Bill Sowerby, director del programa Deep Orange. “Cuando los estudiantes se dieron cuenta de que la fabricación tradicional resultaba inviable, tuvieron que dar un paso atrás y replantearse cómo iban a diseñar y a construir el prototipo”.

Ahí fue cuando un estudiante sugirió la idea de utilizar la fabricación aditiva para crear rápidamente un prototipo de las piezas. Aunque no era necesario que las piezas fueran de acero, sí tenían que ser lo suficientemente fuertes como para soportar el peso del vehículo y la pesada espuma estructural que se aplicaría en el interior. Los estudiantes decidieron crear las piezas a través del proceso de modelado por deposición fundida (FDM) de Stratasys, en vista de sus fuertes termoplásticos de ingeniería y de su capacidad para producir piezas grandes a través de la creación de diferentes secciones para unirlas posteriormente con el mismo termoplástico. Los estudiantes enviaron los archivos de diseño a Stratasys Direct Manufacturing para que elaboraran un presupuesto de los servicios de FDM y descubrieron que las piezas salían un 75 por ciento más baratas y estaban listas entre tres y cuatro meses antes que con la estampación de acero.

“Los procesos de fabricación convencionales son caros y llevan mucho tiempo. Mi equipo y yo nos enfrentábamos al reto de conseguir que las piezas estuvieran fabricadas en el menor tiempo posible y que se ajustaran al presupuesto. Además, estábamos trabajando con tolerancias dimensionales muy ajustadas, así que una desviación de pocos milímetros respecto a los modelos de CAD impediría que las piezas se alinearan correctamente o podría dejar grandes huecos. Investigamos otras opciones y hablamos con varios talleres de carrocería”, comentó Ashish Dubey, jefe de proyecto de Deep Orange 4. “Durante esta investigación, descubrimos el FDM, que es un proceso de fabricación rápido. Nos decantamos por el FDM porque el coste y el tiempo necesarios para crear todas las piezas eran sustancialmente inferiores a la fabricación convencional con placas de metal. Las piezas finales eran todo lo buenas que queríamos en términos de dimensionamiento geométrico y tolerancia (GD&T). En general, fue estupendo trabajar con el equipo de Stratasys Direct Manufacturing (SDM) y, a fin de cuentas, tuvimos la oportunidad de conocer una nueva tecnología que, muy probablemente, será el futuro de las piezas de producción de bajo volumen”.

Sistema de producción Fortus 900mc 3D de Stratasys
Sistema de producción 3D Fortus 900mc de Stratasys

Al optar por la fabricación aditiva, el equipo tuvo que tener en cuenta factores particulares del proceso alternativo. SDM recomendó ajustar el diseño de las piezas al proceso de FDM para garantizar que se cumplían las tolerancias, se ajustaban a las piezas originales del BMW X3 de la mitad inferior del vehículo y estaban totalmente preparadas para someterse a operaciones secundarias.

Por ejemplo, si se cambiaba la orientación o el ángulo de las capas de material que se extrude en la plataforma de fabricación, se podía crear una superficie fuerte con un acabado liso preparada para las operaciones de pulido, imprimación y pintura. El equipo también aumentó ligeramente el grosor de las paredes en distintas zonas de la pieza para hacerlas más fuertes y para compensar la pérdida de material producida durante el lijado y alisamiento de la superficie.  Por último, las piezas con más de 36 x 24 x 36 pulgadas (el tamaño de la máquina de FDM más grande) tenían que dividirse en piezas más pequeñas con juntas de cola de milano para aumentar la resistencia a la tensión entre las secciones que posteriormente se soldarían con aire caliente.

“El FDM es un proceso muy diferente al de la estampación de acero en el que el rediseño resultó muy importante. Ayudé a los estudiantes de Clemson a determinar la mejor orientación y ubicación de las juntas para asegurarnos de que fabricábamos y soldábamos las piezas con la exactitud necesaria para ajustarnos a la precisión dimensional”, afirmó Eric Quittem, ingeniero senior de proyecto en SDM. “Al tener paredes más gruesas, sabíamos que las piezas podían tener pequeños escalones en la superficie, que es algo inherente al proceso de aplicación de capas. Esto era algo nuevo para el equipo de Clemson, pero les aseguramos que las líneas de las capas podrían eliminarse en operaciones secundarias”.

Stratasys Direct Manufacturing creó 14 piezas para Deep Orange en ABS-M30 con el sistema de producción 3D Fortus 900mc: cuatro piezas para la puerta trasera, cuatro piezas para los bastidores laterales, cuatro piezas para el techo y la ventana trasera, y dos paneles laterales. El departamento de acabado de SDM pulió las piezas hasta dejarlas listas y preparadas para la fase de imprimación y pintura. Los responsables del acabado también soldaron con aire caliente las secciones de la puerta trasera, los bastidores laterales y los paneles laterales por las juntas de cola de milano.

Los estudiantes acoplaron y ensamblaron con éxito un prototipo funcional del vehículo para su presentación en el Center for Automotive Research Management Briefing Seminar, en agosto de 2014. En BMW Manufacturing, no solo se quedaron impresionados con el diseño del Deep Orange 4, sino también con el plan de fabricación.

“La capacidad de integrar más modelos de bajo volumen sin que esto conlleve una gran inversión de capital en cambio de herramientas ni se pierda eficacia será la clave del éxito en el futuro, porque luchamos por dar respuesta a los cambios del mercado con más rapidez y mayor flexibilidad”, dijo Rich Morris, vicepresidente de ensamblaje de BMW Manufacturing. “Los estudiantes que trabajaron en esta fase del proyecto hicieron un excelente trabajo al rebajar los costes y al encontrar óptimas oportunidades de integración”. 

SDM y la impresión 3D ayudaron a Deep Orange 4 a la consecución del proyecto sin salirse del presupuesto. “La creación de prototipos de vehículos es una de las muchas aplicaciones de la impresión 3D para crear eficiencias y fabricar mejores piezas en la industria de la automoción. Es importante que los futuros ingenieros de la automoción conozcan esta tecnología y aprendan a crear sus diseños con ella, porque este proceso estará cada vez más integrado en la fabricación de la automoción”, afirmó Mick Schrempp, jefe de cuentas en RedEye, que trabajó con la Universidad de Clemson.

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Carrie Wyman

Carrie Wyman

Carrie is a technology and 3D printing enthusiast, with a passion for beautiful design.

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