La optimización topológica y los ejes de monopatín revolucionan el futuro del diseño
Cuando hablamos de monopatines, un flip o un grab nos pueden parecer algo genial, pero deslizarse colina abajo en un longboard es una auténtica locura. Los patinadores de descenso llegan a superar los 140 km/h combinando el patinaje con el surf e inmersos en un subidón de adrenalina donde solo cuenta la velocidad. Desde luego, mantener las ruedas fijas a la tabla resulta crucial para estos temerarios de las pendientes.
En un monopatín, el “eje” es la pieza bajo la plancha a la que se fijan las ruedas. Compuesto de vástagos, cojinetes y pasadores, es el punto de unión entre las ruedas y la plancha, y proporciona al patinador el control necesario mediante el balanceo del cuerpo para girar o reaccionar a la trayectoria de la tabla. Es una pieza que, cuando menos, tiene su importancia.
Actualmente, como ocurre con los componentes de los aviones, mobiliario y tantos otros objetos modernos, los ejes de monopatín están transformándose gracias a la optimización topológica y a la fabricación aditiva de componentes metálicos.
Philipp Manger, estudiante de ingeniería de precisión y patinador de descenso, aplicó sus conocimientos al eje de los monopatines porque, según sus propias palabras: “Es el único componente de un monopatín que no había fabricado antes, y resulta perfecto para probar esta novedosa tecnología”. Pero el proyecto TOST (eje de monopatín optimizado topológicamente, por sus siglas en inglés) se centra en las tablas de descenso o longboards. Los diseños de ejes de monopatín tradicional son adecuados para patinar por las calles, pero el sistema denominado “eje de kingpin invertido” es mejor para estas tablas que circulan a gran velocidad.
Manger, natural de Alemania y con más de 15 años de experiencia en el sector de la ingeniería, se hizo diseñador industrial y aprendió CAD y diseño 3D para trabajar, entre otros muchos proyectos, en la columna de dirección del Mini Cooper.
Haber trabajado con coches le sirvió a Manger para plantear el rediseño del monopatín: “Me resultó muy útil. Hagas lo que hagas, la ingeniería es siempre igual. Diseñar un componente para un coche no es muy diferente de hacerlo para un monopatín; en ambos casos se trata de diseño. Tuve la oportunidad de aprender mucho sobre métodos de diseño, como la llamada construcción paramétrica o modelado paramétrico. Probé muchas herramientas CAD diferentes, y son muy prácticas”.
Tras abandonar la industria automovilística para estudiar ingeniería de precisión en la Universidad Jena de Ciencias Aplicadas de Alemania, Manger “cayó rendido” ante el diseño generativo y otras técnicas de optimización de diseño y de fabricación aditiva.
Cuando llegó el momento de rediseñar el eje de kingpin invertido, Manger empleó Autodesk Fusion 360 y Netfabb para mejorar la optimización. Utilizando los parámetros y los requisitos de Manger para alcanzar una rigidez igual (o superior) con un menor peso, el programa proporcionó una estructura reticular optimizada. Los diseños reticulares inspirados en la naturaleza son construcciones complejas de aspecto óseo que parecen haber evolucionado a lo largo de millones de años. Las mejoras en el peso, el rendimiento y la resistencia son esenciales en industrias como la aeroespacial, pero un monopatín no pesa tanto… Entonces, ¿qué es exactamente lo que aporta al rendimiento el eje de monopatín optimizado topológicamente?
Según Manger, “en el patinaje de descenso, frenar una tabla que pesa 5 kilogramos cuando vas a 80 kilómetros por hora es más difícil que si pesa 3 o 4 kilogramos, así que facilita el control”. Pero Manger tiene en cuenta todo lo que conlleva el descenso, no solo la parte divertida: los patinadores deben subir a pie largas cuestas para bajarlas deslizándose, así que cualquier reducción del peso de la tabla hace que transportarla sea más cómodo.
Copiar la naturaleza con láser
La mayoría de los ejes de monopatín tradicionales son de aluminio. Aunque Manger empleó titanio, que es más pesado, la estructura reticular necesita mucho menos material, aligerando bastante el conjunto. “La densidad el titanio casi duplica la del aluminio, así que era un reto”, dice. “Pero la gran novedad fue que la suspensión, una pieza móvil situada en la parte superior del eje, suele ser un elemento pivotante con un vástago de acero dentro de una carcasa de aluminio. Mis dos diseños de suspensión están compuestos por una única pieza y los vástagos también están perforados, por lo que la estructura reticular llega hasta el último elemento”.
Manger dice de este proceso que es “un diseño híbrido, que combina las formas orgánicas con las estructuras reticulares” y recuerda a las disecciones de la clase de Biología. Pensemos en el esqueleto de un pájaro y luego profundicemos en el diseño interior del hueso: los huesos de los pájaros no suelen ser sólidos, sino que están completamente perforados, fruto de millones de años de evolución. En ellos podemos encontrar complejos entramados que proporcionan estabilidad estructural con el menor material posible. Esto permite reducir la masa, algo imprescindible para volar. Y, tal como Manger expuso a sus potenciales socios, la filosofía que subyace en el proyecto TOST es, efectivamente, un intento de “copiar la naturaleza”.
Como ocurre con el eje de Manger, muchos componentes optimizados topológicamente no pueden fabricarse por medios tradicionales. Las técnicas de fresado o fundición no alcanzan la precisión necesaria para retirar el material entre semejante maraña de elementos minúsculos. Todos los elementos reticulares de los prototipos del proyecto TOST tenían un espesor menor a un milímetro, lo que descartó las técnicas tradicionales y añadió una nueva dimensión al proyecto: “Nos propusimos investigar los límites de la fabricación aditiva de elementos metálicos, el tamaño del elemento mínimo”, recuerda Manger.
Esto conllevó que la elección del fabricante adecuado resultara crucial, y Manger dio en el clavo con Fraunhofer IWU, un peso pesado de la producción tecnológica e I+D de Alemania. Manger explica: “El instituto está centrado en la fabricación aditiva de componentes metálicos y otros diseños de elementos ligeros, así que era el socio perfecto. Me alegré mucho de poder colaborar con una empresa tan grande y de que me permitieran acceder a sus edificios y a las instalaciones de fabricación, sobre todo al GE Concept Laser M2, que es una máquina de fusión selectiva de láser. He aprendido mucho con ellos”.
Los medios más avanzados para un fin práctico
Todo el proceso de coordinarse con los socios, recopilar y sintetizar los datos y diseñar el prototipo ha sido un trabajo de ensueño para Manger, quien ha tenido un único contratiempo: “Solo tuvimos un error en el proceso de fabricación, pero el eje funcionó desde el primer momento. Es una muestra de la gran calidad del programa, ya que pude analizarlo todo y preparar el proceso de construcción desde el inicio”.
Sin embargo, Manger no tiene planes serios de comercializar su nuevo eje futurista para monopatines. Con los procesos tradicionales de fabricación aún no resulta competitivo económicamente (Manger afirma que todavía harán falta unos años para conseguirlo). De todas formas, el objetivo del proyecto TOST siempre se limitó a conseguir una prueba de concepto.
Para Manger el proyecto ha dado sus frutos: contactos en el campo industrial, empresas muy interesadas en la tecnología, la atención que ha sabido atraer el proyecto y los innumerables premios que ha recibido en convenciones y ferias comerciales.
Como resume su autor, “el proyecto no pretendía realmente crear un eje de monopatín. Se trataba más bien de encontrar nuevas vías para diseñar elementos ligeros mediante la fabricación aditiva de componentes metálicos. El proyecto TOST muestra nuevos enfoques en la combinación de formas orgánicas con estructuras reticulares. El eje de monopatín es solo un ejemplo que cualquiera puede entender”.