Porsche muestra el potencial de la fabricación aditiva para los accionamientos de alto rendimiento

Los ingenieros del departamento de Desarrollo Avanzado pudieron llevar a cabo varios pasos de desarrollo a la vez con el prototipo. La carcasa de aleación fabricada adicionalmente es más ligera que una pieza de fundición convencional, y reduce el peso total del propulsor en aproximadamente un diez por ciento. Gracias a las estructuras especiales que sólo han sido posibles gracias a la impresión en 3D, la rigidez en las zonas de alta tensión se ha duplicado, no obstante. Otra ventaja de la fabricación aditiva es el hecho de que se pueden integrar numerosas funciones y piezas. Esto reduce considerablemente el trabajo de montaje y beneficia directamente la calidad de las piezas.

La impresión en 3D abre nuevas oportunidades en el desarrollo y la fabricación de piezas de bajo volumen. Porsche está impulsando de manera notable el uso de la fabricación aditiva para la optimización de las piezas sometidas a grandes esfuerzos. Hace unos meses, los nuevos pistones impresos se probaron con éxito en el deportivo de alto rendimiento 911 GT2 RS. La carcasa para un accionamiento eléctrico completo ahora desarrollada también cumple con los requisitos de alta calidad. En la misma carcasa que el motor eléctrico, está integrada la caja de cambios de dos velocidades posterior. Este enfoque altamente integrado está diseñado para su uso en el eje delantero de un coche deportivo.

“Nuestro objetivo era desarrollar un accionamiento eléctrico con potencial de fabricación aditiva, integrando al mismo tiempo el mayor número posible de funciones y piezas en la carcasa del accionamiento, ahorrando peso y optimizando la estructura", dice Falk Heilfort. Ningún otro proceso de fabricación ofrece tantas posibilidades y una implementación tan rápida como la impresión en 3D. Los datos de diseño pueden introducirse en la impresora directamente desde el ordenador sin pasos intermedios como la fabricación de herramientas. Las piezas se crean entonces capa por capa a partir de polvo de aleación de aluminio. Esto hace posible la fabricación de formas como carcasas con conductos de refrigeración integrados en casi cualquier geometría. Cada capa se funde y luego se fusiona con la capa anterior. Para ello se dispone de diferentes tecnologías. La carcasa del motor se fabricó con polvo metálico de alta pureza mediante el proceso de fusión de metales por láser (LMF). Aquí, un rayo láser calienta y funde la superficie del polvo correspondiente al contorno de la pieza.

La optimización del accionamiento eléctrico comenzó con la integración en el diseño de componentes como rodamientos, intercambiadores de calor y suministro de aceite. A esto le siguió la definición calculada por ordenador de las cargas e interfaces. La determinación de las trayectorias de carga se realizó entonces sobre esta base. El siguiente paso en el método de desarrollo virtual fue la optimización de las trayectorias de carga mediante la integración de las llamadas estructuras de red. Estas estructuras se inspiran en la naturaleza y también pueden verse en forma similar en huesos o plantas, por ejemplo. “Fuimos capaces de expandir y mejorar nuestras soluciones de software y métodos para crear tales piezas y ahora somos capaces de implementarlas virtualmente en un espacio de tiempo muy corto”, dice Sebastian Wachter, especialista en Metodología de Diseño y Optimización de Topología en el departamento de Desarrollo de Avance del Tren Motriz. Cuando se combina con la inteligencia artificial, surgen aquí interesantes enfoques para optimizar los métodos de desarrollo para el futuro.

Sin embargo, la mayor libertad de diseño que ofrece la impresión en 3D también va de la mano de los requisitos de diseño específicos. Estos incluyen que los ingenieros tengan que tener en cuenta el hecho de que las piezas de trabajo se producen capa por capa por fusión. Si hay grandes protuberancias en la forma, los elementos de apoyo como las costillas pueden tener que ser planificados. Sin embargo, estos no deben extenderse a los conductos que transportan los medios. Por lo tanto, es importante tener en cuenta ya en la fase de diseño la dirección en la que se forman las capas. Con la tecnología de máquinas de que disponemos actualmente, la impresión del primer prototipo de carcasa llevó varios días y tuvo que realizarse en dos procesos de construcción debido al tamaño de los componentes. Con las últimas generaciones de máquinas, es posible reducir este tiempo en un 90 por ciento, y toda la carcasa puede ser fabricada en un solo proceso de construcción.

El peso de las piezas de la carcasa se redujo en aproximadamente un 40% debido a la integración de funciones y la optimización de la topología. Esto representa un ahorro de peso de alrededor del diez por ciento para todo el accionamiento debido a la construcción ligera. Al mismo tiempo, la rigidez se incrementó significativamente. A pesar de que el grosor de la pared continua es de sólo 1,5 milímetros, la rigidez entre el motor eléctrico y la caja de engranajes se incrementó en un 100% debido a las estructuras de rejilla. La estructura en forma de panal reduce las oscilaciones de las finas paredes de la caja y mejora así considerablemente la acústica del accionamiento en su conjunto. La integración de las piezas hizo que la unidad de accionamiento fuera más compacta, mejoró considerablemente el paquete de accionamiento y redujo el trabajo de montaje en unos 40 pasos de trabajo. Esto equivale a una reducción del tiempo de producción de aproximadamente 20 minutos. Una ventaja adicional: la integración del intercambiador de calor de la caja de cambios con una transmisión de calor optimizada mejora la refrigeración del conjunto del accionamiento. Este es un requisito básico para aumentar aún más el rendimiento.

La carcasa fabricada mediante el proceso de impresión en 3D muestra de nuevo el potencial de la fabricación aditiva para Porsche en lo que respecta a la innovación de productos en el futuro. Los potenciales también surgen en los ámbitos de la innovación de procesos -desarrollo ágil y producción flexible- y para nuevos ámbitos de negocio como la personalización con nuevas ofertas para los clientes y las piezas de recambio. Esta tecnología de fabricación resulta interesante para Porsche desde el punto de vista técnico y económico, sobre todo para las series especiales y pequeñas, así como para los deportes de motor.