La primera pinza de freno impresa en 3D del mundo es de Bugatti
Con sus deportivos Veyron y Chiron, Bugatti se ha posicionado como pionero de los nuevos desarrollos técnicos e innovaciones en la industria automovilística. Ahora, el departamento de Desarrollo de la marca francesa de lujo ha vuelto a sorprender; por primera vez, sus ingenieros han conseguido diseñar una pinza de freno que puede ser producida por impresión en 3D. Pero eso no es todo. Mientras que el principal material utilizado hasta la fecha para la fabricación de componentes de vehículos ha sido el aluminio, la nueva pinza de freno está fabricada en titanio. Se trata, por lo tanto, del mayor componente funcional del mundo producido a partir de titanio mediante procesos de impresión 3D.
Este nuevo hito en el desarrollo de la impresión tridimensional se alcanzó en cooperación con el Laser Zentrum Nord de Hamburgo, un instituto que forma parte de la organización de investigación Fraunhofer desde principios de año. Con este debut mundial, Bugatti ha subrayado su función de pionero en la impresión tridimensional dentro del Grupo Volkswagen y su papel como motor de innovación en la industria automovilística internacional. Las pruebas de vehículos para el uso de la pinza de freno de titanio 3D en serie se iniciarán durante la primera mitad del año.
“El desarrollo de vehículos es un proceso interminable. Esto es particularmente cierto en Bugatti”, dice Frank Götzke, director de Nuevas Tecnologías del departamento de Desarrollo Técnico de Bugatti Automóviles S. A. S. “En nuestros continuos esfuerzos de desarrollo, siempre estamos considerando cómo se pueden utilizar nuevos materiales y procesos para hacer que nuestro modelo actual sea aún mejor y cómo se podrían diseñar los futuros vehículos de nuestra marca. Como nuestros datos de rendimiento se encuentran a menudo en los límites físicos, somos especialmente exigentes”, añade Götzke, técnico en máquinas-herramienta y producción y licenciado en ingeniería. “Por eso Bugatti siempre va un paso más allá que otros fabricantes en el desarrollo de soluciones técnicas”. Götzke trabaja para el grupo Volkswagen desde hace más de 22 años. Se incorporó a Bugatti en 2001 y desempeñó un papel clave en el desarrollo del Veyron como jefe de Desarrollo de Chasis y en el desarrollo del Chiron en su cargo actual.
Bugatti utiliza actualmente los frenos “más potentes del mundo” en el nuevo Chiron. Las pinzas de freno fueron un desarrollo completamente nuevo. Se forjan a partir de un bloque de aleación de aluminio de alta resistencia. Con ocho pistones de titanio en cada una de las pinzas delanteras y seis en cada una de las unidades traseras, estas son también las pinzas de freno más grandes instaladas actualmente en un vehículo de producción. Las pinzas de freno del hierro se fabrican con principios biónicos a partir de un modelo natural. La nueva arquitectura combina el mínimo peso con la máxima rigidez. La inspiración para el diseño y el modo de funcionamiento de los frenos se tomó de los deportes de motor.
Con la nueva pinza de freno de titanio desarrollada por la impresora 3D, Bugatti da un paso más y abre nuevos horizontes. Esta aleación de titanio, con la denominación científica de Ti6AI4V, se utiliza principalmente en la industria aeroespacial, por ejemplo, para componentes de tren de aterrizaje y de ala sometidos a grandes esfuerzos, o en aviones y motores de cohetes. El material ofrece un rendimiento considerablemente superior al del aluminio. Incluso como componente impreso en 3D, tiene una resistencia a la tracción de 1.250 N/mm². Esto significa que se aplicará una fuerza de algo más de 125 kg a un milímetro cuadrado de esta aleación de titanio sin que el material se rompa. La nueva pinza de freno de titanio, de 41 cm de longitud, 21 cm de anchura y 13,6 cm de altura, sólo pesa 2,9 kg. En comparación con el componente de aluminio actualmente utilizado, que pesa 4,9 kg, Bugatti podría reducir el peso de la pinza de freno en un 40%, al mismo tiempo que garantiza una resistencia aún mayor con la nueva pieza.
Hasta la fecha, este enfoque no era factible porque es extremadamente difícil o incluso imposible fresar o forjar componentes de un bloque de titanio, como es la práctica normal con el aluminio, debido a la resistencia extremadamente alta del material. Este problema se ha resuelto ahora con una impresora 3D de alto rendimiento, lo que abre la posibilidad de generar estructuras aún más complejas, considerablemente más rígidas y resistentes que con cualquier otro proceso de producción convencional. Frank Götzke encontró las unidades de fusión láser selectivas requeridas en Hamburgo, en el Laser Zentrum Nord.
“El Laser Zentrum Nord es uno de los muchos institutos científicos con los que hemos desarrollado una excelente cooperación a lo largo de los años”, explica Götzke. “Gracias al gran número de proyectos realizados, sobre todo para la industria aeronáutica, el instituto dispone de amplios conocimientos técnicos sobre todo en el campo del tratamiento de titanio y ofrece una tecnología madura”. En los últimos años, los científicos de producción de Hamburgo han recibido un gran número de prestigiosos premios nacionales e internacionales a la innovación por su trabajo en la industria.
“La cooperación con Bugatti es un proyecto clave para nosotros”, dice el profesor Claus Emmelmann. El profesor Emmelmann fue anteriormente director gerente de Laser Zentrum Nord GmbH y ha sido director del Instituto Fraunhofer de Tecnologías de Producción de Aditivos (Fraunhofer IAPT) desde que Laser Zentrum Nord se incorporó a la organización de investigación Fraunhofer bajo este nombre a principios de año. También dirige el Instituto de Tecnologías de Láser y Sistemas (iLAS) de la Universidad de Tecnología de Hamburgo. Emmelmann se enorgullece de la cooperación entre su instituto y Bugatti. “No conozco ningún otro fabricante de automóviles que exija tanto a sus productos. Nos alegramos de enfrentarnos a este desafío”.
El tiempo de desarrollo de la pinza de freno de titanio impresa en 3D fue muy corto. Desde la primera idea hasta el primer componente impreso, sólo tardó unos tres meses. El concepto básico, las simulaciones y cálculos de resistencia y rigidez y los dibujos de diseño fueron enviados por Bugatti al Laser Zentrum Nord como un paquete de datos completo. A continuación, el instituto llevó a cabo la simulación del proceso, el diseño de las estructuras de soporte, la impresión real y el tratamiento del componente. Bugatti fue el responsable del acabado.
La impresora 3D especial de Laser Zentrum Nord, la impresora más grande del mundo para el titanio al inicio del proyecto, está equipada con cuatro láseres de 400 vatios. Se tarda un total de 45 horas en imprimir una pinza de freno. Durante este tiempo, el polvo de titanio se deposita capa por capa. Con cada capa, los cuatro láseres funden el polvo de titanio en la forma definida para la pinza de freno. El material se enfría inmediatamente y la pinza de freno toma forma. El número total de capas requeridas es de 2.213. Una vez terminada la capa final, el polvo de titanio restante que no se había fundido se retira de la cámara, se limpia y se conserva para su reutilización en un bucle cerrado. Lo que queda en la cámara es una pinza de freno completa con estructura de soporte que mantiene su forma hasta que recibe un tratamiento térmico estabilizador y alcanza su resistencia final.
El tratamiento térmico se realiza en un horno donde la pinza de freno está expuesta a una temperatura inicial de 700 °C, bajando a 100 °C en el transcurso del proceso, con el fin de eliminar la tensión residual y garantizar la estabilidad dimensional. Finalmente, se retiran las estructuras de soporte y se separa el componente de la bandeja. En la siguiente etapa de producción, la superficie se alisa en un proceso combinado mecánico, físico y químico que mejora drásticamente su resistencia a la fatiga, es decir, la durabilidad a largo plazo del componente en el funcionamiento posterior del vehículo. Finalmente, los contornos de las superficies funcionales, tales como las superficies de contacto del pistón o las roscas, se mecanizan en una fresadora de cinco ejes que tarda otras 11 horas en completar su trabajo.
El resultado es un componente de forma delicada con espesores de pared entre un mínimo de un milímetro y un máximo de cuatro milímetros.
“Fue un momento muy conmovedor para el equipo cuando sostuvimos nuestra primera pinza de freno de titanio de la impresora 3D en nuestras manos", recuerda Frank Götzke. “En términos de volumen, este es el mayor componente funcional producido a partir del titanio mediante métodos de fabricación aditiva. Todos los que miran la pieza se sorprenden de lo ligera que es, a pesar de su gran tamaño. Técnicamente, ésta es una pinza de freno extremadamente impresionante, y también se ve genial".
Está previsto que las primeras pruebas para su uso en vehículos de producción se celebren en el primer semestre del año; aún no se ha finalizado el calendario. En ese momento, el ingeniero promete que será posible reducir considerablemente los tiempos de producción, especialmente para el mecanizado.
Götzke y su equipo están presentando los resultados de su trabajo al Grupo y a sus marcas. “En el desarrollo de la impresión en 3D, Bugatti es el líder del grupo Volkswagen”, subraya Götzke. “Todos pueden y deben beneficiarse de nuestros proyectos. Esto también forma parte del papel de Bugatti como laboratorio del Grupo para aplicaciones de alta tecnología”.
“La pinza de freno de titanio impresa en 3D es sólo un ejemplo del trabajo de investigación y desarrollo actual de Bugatti. No sólo hemos desarrollado el componente de titanio más grande del mundo producido por la fabricación de aditivos, sino también el componente de aluminio más largo que se ha producido hasta la fecha con la impresión en 3D ", explica Götzke, que se enorgullece de llevar un faro de 63 centímetros de longitud.
“En el desarrollo de la impresión en 3D, Bugatti es el líder del grupo Volkswagen”, subraya Götzke. “Todos pueden y deben beneficiarse de nuestros proyectos. Esto también forma parte del papel de Bugatti como laboratorio del Grupo para aplicaciones de alta tecnología”.
La pinza de freno de titanio impresa en 3D es sólo un ejemplo del trabajo de investigación y desarrollo actual de Bugatti. “No sólo hemos desarrollado el componente de titanio más grande del mundo producido por la fabricación aditiva, sino también el componente de aluminio más largo que se ha fabricado hasta la fecha con la impresión en 3D”, explica Götzke, que se enorgullece de sacar del gabinete un limpiaparabrisas ligero de aluminio de 63 centímetros de largo. El tablero pesa sólo 0,4 kg, la mitad del peso de un tablero de aluminio fundido a presión convencional, sin reducir la rigidez. Pero esa es otra historia.
