La originalidad de Honda para diseñar un cigüeñal más ligero
En la lucha global para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero el diseño puede ser de gran ayuda para conseguir una mayor eficiencia de los vehículos. La Agencia Internacional de la Energía estima que el transporte en su conjunto, ya sea terrestre, ferroviario, aéreo o marítimo, es causante de aproximadamente 24 % de las emisiones globales. Los vehículos de carretera son los principales causantes. La Unión Europea calcula que 30 % de las emisiones de CO2 en su territorio provienen del transporte y, de ellas, 72 % originan en el transporte por carretera. Si reducimos el peso de las piezas de los vehículos, conseguiremos mejorar el rendimiento del combustible y reducir las emisiones.
En Japón, Honda tiene varios proyectos en marcha cuyo objetivo es aligerar componentes, ya sea la carrocería, el motor o los tornillos. Para conseguir un diseño reduccionista, hay que hacer un estudio muy detallado de la estructura y de los materiales de cada pieza. La división I+D (investigación y desarrollo) del fabricante Honda se ha puesto como último objetivo mejorar el cigüeñal.
El cigüeñal es una de las partes más importantes del motor porque convierte la oscilación de los pistones en energía rotacional y por ello debe ser muy resistente y duradero.
Según Hirosumi Todaka, diseñador de maquinaria mecánica y de fluidos del laboratorio I+D de tecnología avanzada de Honda, “el cigüeñal debe cumplir con gran número de funcionalidades: su forma debe poder resistir la presión de la combustión y también mantener el equilibrio de la rotación. Son factores que han determinado la forma que ha mantenido el cigüeñal hasta nuestros días. En la larga historia de la evolución del motor, el diseño del cigüeñal se había considerado inamovible. Aun así, nos pusimos manos a la obra con el difícil objetivo de diseñar un cigüeñal que fuera 30 % más ligero que los modelos actuales”.
Desde su creación, el departamento de I+D de Honda ha estudiado en detalle la fabricación aditiva. En su búsqueda por conseguir tecnologías de diseño tales como la optimización topológica, descubrió el diseño generativo (que genera múltiples diseños sobre los que se van produciendo iteraciones) dándose cuenta que así se pueden cambiar enormemente las normas tradicionales de diseño.
El diseño generativo ha ayudado al sector a rediseñar componentes tales como los soportes de los cinturones de seguridad, las unidades de control del motor y bastidores de motocicleta, consiguiendo así una importante reducción de peso. Según Todaka, “necesitábamos un nuevo enfoque que empleara métodos tales como el diseño generativo y la fabricación aditiva. Tuvimos que abandonar nociones preconcebidas y mirar las cosas desde una nueva perspectiva”.
El equipo de I+D de Honda inició su proyecto, el primero de este tipo, colaborando con Autodesk y con miras flexibles en su enfoque. Hisao Uozumi, investigador de procesos de producción de diseño y nuevos materiales en el departamento de I+D de Honda, señala la importancia “para nuestro diseño de deshacernos de las concepciones previas y plantearnos las funciones puramente esenciales de la pieza. Para asentar las bases de este enfoque organizamos un taller de pensamiento crítico”.
Construir un cigüeñal mejor
Autodesk preparó un modelo del primer lote de la pieza que cumplía con los requisitos de Honda empleando para ello Netfabb y Fusion 360. Todaka comenta “haber compartido el conocimiento experto de Honda para presentar datos sobre peso y distintas limitaciones operativas. Después revisamos todos los puntos con el equipo de Autodesk en tanto el modelo iba adquiriendo forma”.
Para su trabajo con piezas de motores para vehículos de dos y de cuatro ruedas, Todaka sacó partido de su experiencia, logrando diseños que pudiera después analizar y mejorar. Cuando vio el resultado por primera vez, se mostró muy sorprendido. Comenta que “la pieza tenía una forma orgánica, como si fuera un hueso humano, algo que sobrepasaba mi imaginación”.
Los miembros del equipo de I+D de Honda encargados del proyecto viajaron a Londres y allí recibieron capacitación en diseño generativo, visitaron el centro de tecnología de Autodesk Technology Center de Birmingham, Inglaterra, y hablaron de temas que iban más allá del diseño, tales como la fabricación aditiva. Todaka nos comenta que en la planta “los prototipos se pudieron hacer rápidamente partiendo de los diseños. Tuve la impresión de que allí la información recibida podía aplicarse al trabajo rápidamente”.
Los datos provenientes de los prototipos hicieron que Honda se volviera a plantear sus criterios en cuanto a forma y resistencia, creando un nuevo conjunto de condiciones límite para las piezas. El equipo continuó con su trabajo y diseñó un modelo para el segundo lote. Uozumi comenta que “el equipo de Autodesk contaba con nuevos miembros provenientes de distintos sectores, entre los que se incluyen el aeroespacial. Pudieron ver qué pensábamos hacer con nuestros diseños y pudimos dar forma a nuestras ideas en un periodo relativamente breve de tiempo”.
La optimización de la topología convencional ofrece tan solo una solución y requiere de correcciones manuales que llevan mucho tiempo. El diseño generativo de Fusion 360 ofrece lo que Todaka comenta es una “configuración que ni siquiera me había planteado como diseñador”. El nuevo diseño del cigüeñal superaba los objetivos con una reducción sorprendente de 50 % en peso, si bien persistían las dudas sobre si la rigidez y robustez de la pieza serían suficientes comparadas con las de los cigüeñales tradicionales.
Los miembros del equipo montaron el prototipo en un motor para probar su rendimiento y obtuvieron gran cantidad de datos. Compartieron después los resultados con el equipo de Autodesk, que hace uso de los datos de Honda para refinar sus procesos de diseño generativo. Todaka explica que “aplicar el diseño generativo a una parte que rota tanto como un cigüeñal ha sido una experiencia muy valiosa para Autodesk y para Honda”.
La integración de la fabricación en el proceso de diseño ha sido de un valor incalculable. Todaka indica que “nos permite tener modelos que pueden tomar en consideración limitaciones de diseño, como los que se lograron empleando fabricación aditiva, fabricación basada en moldes o mecanizado de cinco ejes”.
Para Honda, este proyecto ha revelado las posibilidades que ofrece la fabricación aditiva. Todaka comenta que “si bien algunos siguen mostrando reticencias a esta nueva forma, el interés suscitado por esta tecnología bien ha valido el esfuerzo. Podemos hacer mucho para aligerar las piezas y ahora podemos ver formas de conseguirlo. Pienso que en el futuro la norma serán los productos innovadores obtenidos a partir del diseño generativo. Pienso que debemos investigar nuevas aplicaciones para esta tecnología como parte de nuestro trabajo”.