En este post vamos a explicar el proceso que hemos seguido para diseñar y fabricar la araña de la Morlaco.
Ya que contamos con el patrocinio de Altair y podemos utilizar sus programas, y además también llegamos a un acuerdo de colaboración con Optimus 3D, una empresa líder en España en fabricación aditiva, decidimos que merecía la pena explorar la optimización topológica para diseñar la araña, y la impresión 3D para fabricarla imprimiéndola en titanio. Además, hacerlo así nos permitiría aprender unas cuantas cosas durante el proceso.
Para ello lo primero que hicimos fue un estudio de las cargas a las que estaría sometida la araña. Las más importantes serían las cargas aerodinámicas. Para calcularlas hicimos una simulación muy sencilla en CFD, utilizando el software de Altair “Virtual Wind Tunnel”.
Creamos un túnel del viento virtual, colocamos la cúpula en la misma posición que va a tener en la moto y calculamos las cargas aerodinámicas que tendría circulando a 300 km/h.
A continuación creamos un dibujo con el volumen exterior máximo que podía tener la pieza. Este volumen tenía unas formas inspiradas en los bocetos que Rémy había hecho (y que ya vimos en un post anterior). Por supuesto, este volumen también tiene una forma adecuada para no interferir con otras piezas de la moto, por ejemplo las “tijeras” que transmiten el giro desde el manillar hasta la horquilla.
El siguiente paso fue ponernos a “jugar” con Inspire, un software de optimización topológica de Altair. Podíamos haber hecho la optimización con Optistruct, otro software de Altair mucho más potente, pero dado que éramos novatos con todos estos programas, optamos por hacerlo con Inspire porque es un programa mucho más amigable y fácil de usar.
De hecho teníamos poco tiempo para diseñar la pieza porque la idea era construirla y montarla en la moto para que Optimus 3D pudiera exponerla en su stand en la feria Addit3D (la feria de fabricación aditiva más importante de España), que iba a tener lugar en Bilbao del 4 al 6 de Junio.
Con Inspire, partiendo del dibujo con el volumen exterior máximo, y de las cargas aerodinámicas que ya habíamos calculado, optimizamos la pieza eliminando todo el material posible para conseguir una buena relación peso/rigidez.
De hecho podíamos haber diseñado una pieza todavía más ligera, pero preferimos tener un buen coeficiente de seguridad para asegurarnos que la pieza se comportaría bien ante situaciones como las vibraciones que se producen al pasar sobre un piano, o incluso intentar que la pieza no se desintegre en caso de una pequeña caída.
Durante esta fase obtuvimos muchas versiones aligeradas de la pieza, formas de este tipo:
Inspire incorpora un módulo de elementos finitos con el que puedes hacerte una primera idea del coeficiente de seguridad que tiene la pieza.
Una vez que dimos con una solución que nos gustaba, pasamos a modificarla para obtener un diseño limpio y elegante. Esta fase la llevamos a cabo también en Inspire. Si hubiéramos tenido más tiempo habríamos probado Evolve, que es otro software de Altair que te permite hacer esto de una forma más precisa.
Este fue el resultado que obtuvimos, un diseño limpio y como suele suceder con las piezas diseñadas mediante optimización topológica, con un aspecto muy orgánico.
El siguiente paso fue hacer un modelo de elementos finitos para estudiar de forma precisa los niveles de tensión, las deformaciones y el coeficiente de seguridad que tendría la pieza. Para hacerlo creamos el modelo con Hypermesh. Tuvimos bastantes problemas para crear la malla, porque siempre nos encontrábamos con unos pocos elementos (que son los “trocitos” en los que se divide la pieza para realizar el cálculo) que no cumplían con la calidad necesaria (estaban más deformados de la cuenta).
Como todavía somos novatos en el uso de estos programas, y no disponíamos de mucho tiempo para diseñar la pieza, pedimos ayuda a nuestros amigos de Idaero, una ingeniería ubicada en Madrid. Ellos son especialistas en cálculo de componentes (trabajan mucho en el sector aeronáutico) con los programas de Altair, y nos resolvieron el problema rápidamente mallando la pieza con Simlab, otro programa de Altair que sirve sobre todo para mallar sólidos con tetraedros.
También hemos llegado a un acuerdo de colaboración con Idaero, gracias a este acuerdo ellos nos echarán una mano con todo este tipo de cuestiones, dado que tienen muchísima experiencia tanto con los programas de Altair, como con el diseño de componentes estructurales hechos con materiales compuestos, un campo en el que en Bottpower queremos hacer muchas cosas durante los próximos años. Esperamos aprender mucho de Idaero. 🙂
Con la pieza correctamente mallada ya pudimos comprobar que efectivamente el diseño de la araña cumplía con lo que queríamos en cuanto a tensiones, deformaciones y coeficiente de seguridad. También aprovechamos para hacer un análisis modal de la pieza para estudiar sus modos principales de vibración.
La siguiente imagen muestra los niveles de tensión:
Y la siguiente las deformaciones:
Una vez que ya teníamos la araña diseñada, el siguiente paso fue enviar por email el archivo con el diseño de la pieza a Optimus 3D. La impresión de piezas metálicas es mucho más compleja que la impresión de piezas en plástico. Se alcanzan temperaturas muy altas (hay que fundir el material con un láser) y por ejemplo el diseño del material de soporte es fundamental porque no sólo actúa como material de soporte, también actúa como disipador térmico ayudando a que la pieza se enfríe más rápido en aquellas zonas donde hay mayores concentraciones de calor.
Este es el aspecto que tenía la pieza una vez impresa, todavía con el material de soporte.
Y este es el aspecto final de la pieza una vez retirado el material de soporte.
Una vez que recibimos la pieza comprobamos las medidas, todo estaba perfecto.
Después hicimos las roscas, montamos la pieza en la moto y montamos todos los componentes: faros led Denali, una cámara GoPro, cúpula Ermax y un display Speedhut. Todo encajó a la perfección.
Además aprovechamos para montarle a la moto un silenciador Akrapovic de titanio. Estamos realmente contentos de que una marca como Akrapovic haya decidido colaborar con nosotros en este proyecto.
Finalmente, el lunes pasado nos desplazamos a Bilbao, descargamos la moto en el Bilbao Exhibition Center donde tenía lugar la feria ADDIT3D, y se la entregamos a muestros partners de Optimus 3D, que tuvieron la moto expuesta en su stand durante toda la feria.
Queremos dar las gracias a Altair, Idaero y Optimus 3D. Diseñar y fabricar esta pieza en un plazo de tiempo muy corto ha sido una gran experiencia para nosotros. Hemos aprendido mucho ¡y ya estamos pensando en los próximos pasos que vamos a dar con estas grandes empresas con las que estamos colaborando! 🙂
Estamos preparando un vídeo que muestra un poco todo el proceso, ¡lo publicaremos en breve!