Blog notice

Assolir el cim gràcies al disseny i l'enginyeria per impressió 3D: una nova generació de lleves d'escalada

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.