El acero es un material extraordinariamente versátil que presenta muchas ventajas; entre ellas, sus propiedades mecánicas. No obstante, su uso en ciertas aplicaciones en las que el peso puede ser un elemento crítico puede llegar a conferirle una posición inicial de desventaja. Conseguir que componentes de acero sean más ligeros que los de aluminio y titanio, con unos costes controlados, es un desafío que, según Sergio Corbera, director del Área de Ingeniería del Motor de la Universidad Nebrija, “parece sencillo, pero es monstruosamente complejo”. Este fue el punto de partida de una intensa colaboración entre la organización de I+D de ArcelorMittal, que aportó su tecnología en fabricación aditiva y sus conocimientos en diseño y simulación que permitieron guiar todo el proceso hasta obtener la geometría final, y Universidad Nebrija, que contribuyó con sus desarrollos en técnicas de diseño inteligente, conocimientos y experiencia en vehículos de competición, aspectos todos ellos clave para lograr este hito.
Esta colaboración estrecha entre la Empresa y el grupo de investigación en Materiales y Fabricación Avanzada (MOD3RN) de la Universidad Nebrija se ha plasmado en la fabricación de un chasis de acero que podría revolucionar el mundo de las motos. “Las simulaciones parecen indicar que hemos conseguido un chasis muy equilibrado y que a priori debe permitir un muy buen comportamiento de la moto en el circuito. Hemos aplicado una tecnología de fabricación nueva (impresión 3D) para este sector con un material que podía parecer a priori relegado para esa industria y con unas formas geométricas que rompen con lo habitual”, asegura Corbera.
Por lo general, el material más extendido en el mundo de las motos es el aluminio, con alguna excepción en acero. Características como la ligereza y ciertas propiedades que, tras años de investigación, proporcionan un buen comportamiento a la moto, han sido factores clave para que este material se haya convertido en un denominador común en cualquier chasis. Lograr desarrollar un chasis de acero capaz de igualar o mejorar la ligereza del aluminio y que aporte una sensación de conducción y rendimiento similar a los de este material es uno de los hitos logrados por esta alianza entre ArcelorMittal y Nebrija.
Innovación e inteligencia artificial
En su centro de innovación tecnológica en Asturias, ArcelorMittal lleva a cabo una labor de investigación orientada hacia la aplicación de tecnologías digitales punteras, como la impresión 3D o la inteligencia artificial, en la industria siderúrgica, desde los procesos productivos hasta en las aplicaciones de los productos. La Universidad Nebrija integra las técnicas de inteligencia artificial y modelos generativos -diseño inteligente o diseño generativo- para conseguir desarrollar productos que pueden contribuir a generar nuevos casos de éxito dentro de un entorno de investigación e innovación, aplicados en este caso a la industria de competición en automoción. “Así es como la relación inicial evoluciona hasta convertirse actualmente en toda una línea de desarrollo de alto impacto tecnológico, de la que el chasis es el primer producto que sale a la luz”, comenta Rafael Barea, director del grupo de investigación en Materiales y Fabricación Avanzada de la Universidad Nebrija.
Para conseguir que una pieza en acero sea más ligera que una de aluminio o titanio gracias a la impresión 3D, los investigadores de la Universidad Nebrija diseñaron formas geométricas muy innovadoras que permitían que las piezas pudieran ser huecas. Corbera lo explica: “La nueva forma la teníamos más o menos conseguida con nuestros algoritmos. La posibilidad de generar piezas huecas era la principal incógnita en la impresión 3D de metales. Hablamos de espesores de pared de entre 0,8 y 1 milímetro en el chasis. Esto implicaba abordar varias cuestiones dentro de la impresión 3D: estabilidad de la pieza durante el proceso de impresión como consecuencia de los espesores tan reducidos; control de porosidades y propiedades mecánicas en esos espesores; y orientación de la forma geométrica para evitar soportes internos. Estás incógnitas se fueron resolviendo a lo largo del proyecto de investigación conjunto gracias a ciertas propiedades que aporta el acero en el proceso de impresión y que posibilitaron que la realización de piezas huecas fuera una realidad”.
El hecho de conseguir piezas huecas es la piedra angular de esta colaboración, ya que es la manera de conseguir soluciones muy ligeras en acero, logrando espesores muy reducidos en el proceso de impresión 3D; algo que hoy en día es difícil de obtener con el aluminio y el titanio, y que por tanto podría tener una penalización en su capacidad estructural. Confirmada la estabilidad del acero con esos espesores y aseguradas las propiedades mecánicas, se integraron estas condiciones de contorno en los algoritmos de diseño inteligente para que, de manera automática, fuesen capaces de generar un abanico de formas geométricas innovadoras, que fuesen estables a la hora de imprimirse y cuyo diseño respetase en todo momento ciertas orientaciones que evitasen la generación de soportes internos. “Logrado y validado todo esto, estábamos en disposición de poder aplicarlo al chasis y prácticamente a cualquier pieza”, reseña Corbera.
Entero, hueco y con espesores finos
El diseño del chasis -entero, hueco y con espesores de solo 0,8 a 1 milímetro- es resultado de la innovación geométrica y del conocimiento experto de los diseñadores implicados en el proceso. Probablemente sea de las pocas piezas huecas impresas en 3D que existen tan grandes, con una aplicación tan exigente y con un peso tan reducido. “Nuestro chasis en acero pesa aproximadamente 3,8 kilos. Los chasis de aluminio de marcas de primer nivel no bajan de los 5 kilos, mientras que otros chasis de acero se pueden disparar hasta los 6-7 kg. Parece que la diferencia es pequeña, pero bajar gramos en este tipo de piezas es muy, muy difícil, por lo que hablar de varios kilos supone un avance enorme”, afirma Paula Rodríguez, responsable del proyecto en Global R&D de ArcelorMittal que ha dirigido estos desarrollos desde la Empresa, quien añade: “Además, las primeras sensaciones y datos -que aún debemos confirmar- es que sus prestaciones en servicio, en carrera por así decir, serán únicas”. Nicolás de Abajo, responsable de los Centros de I+D de ArcelorMittal a nivel mundial, afirma: “El trabajo conjunto entre nuestros investigadores y los diseñadores de Universidad Nebrija ha sido extraordinario. Un magnífico ejemplo de lo que se puede llegar a lograr gracias al enorme crecimiento de las tecnologías exponenciales, un planteamiento rupturista y un gran esfuerzo”.
Cabe destacar que en el marco de este proyecto no se ha desarrollado una nueva aleación de acero. Los excelentes resultados se obtienen con un producto estándar, ampliamente disponible, en forma de acero en polvo para procesos de fabricación aditiva. Por lo tanto, más allá de los resultados del chasis, la generación de piezas en acero que puedan competir por ligereza con las de aluminio o titanio puede posibilitar un cambio en esta industria, ya que, combinando la fabricación aditiva con una elección de un grado de acero adecuado puede resultar incluso más competitivo en términos de coste. Este proyecto abre una puerta para que ciertos componentes puedan fabricarse en acero, permitiendo así la vuelta de este material a muchas aplicaciones de este sector de negocio dentro del mundo del motociclismo de competición.
La Universidad Nebrija, junto a ArcelorMittal, apuesta también por la generación de programas encaminados a la automatización del proceso de desarrollo. De acuerdo con Sergio Corbera, “estamos trabajando en sistemas que imitan lo que hace un equipo de ingeniería actual para ser capaces de tomar todas las decisiones que rodean al diseño de un chasis, por ejemplo, de manera autónoma y en mucho menos tiempo que cualquier equipo de ingenieros”.
El área del automóvil es uno de los puntales de la Universidad Nebrija, que integra el Máster en Ingeniería de Vehículos de Competición, el Grado en Ingeniería del Automóvil -con la colaboración de Yamaha MS Racing-, el Club del Automóvil Nebrija y colaboraciones especiales como la del Astara Team en el Rally Dakar 2022.
Texto: Javier Picos. Fotos: Zaida del Río.
