HONDA R&D CO., LTD.
Desarrollando el motor del automóvil del futuro con diseño generativo
EL FUTURO DE LA FABRICACIÓN
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Los investigadores entregan un prototipo de cigüeñal de diseño generativo que pesa la mitad que los diseños tradicionales
En la lucha global para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los fabricantes de automóviles han establecido objetivos importantes para mejorar el ahorro de combustible y reducir las emisiones de CO2. El diseño puede desempeñar un papel crucial para lograr una mayor eficiencia del combustible del vehículo, y la reducción de peso es extremadamente efectivo. Para lograr un diseño reductor, la estructura y los materiales utilizados en cada parte de un automóvil, desde los marcos de la carrocería y los motores hasta los pernos, deben ser examinados. Para Honda R&D, la división de investigación y desarrollo de autopartes considera el cigüeñal una de las partes más fundamentales del motor de combustión.
Un record de diseño e innovación
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 generative design (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 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.
Hirosumi Todaka, en el departamento de materiales de I+D de desarrollo de procesos e innovación de Honda.
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 un 30% más ligero que los modelos actuales”.
Aprendiendo a pensar diferente
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”.
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”.
Taller en el departamento I+D de Honda en Wakō, Saitama, Japón.
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”.
Redefiniendo el prototipo
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”.
Un ejemplo del modelo de cigüeñal hecho con diseño generativo. Gentileza del departamento I+D de Honda.
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 del 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”.
El prototipo impreso en metal para el modelo de cigüeñal de diseño generativo.
Nuevos modelos para integrar la manufactura y el diseño
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”.
El Dr. Hisao Uozumi, ingeniero jefe adjunto en el departamento de gestión y tecnología de la fabricación, división de Administración Wakō en el departamento de I+D de Honda.