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ArcelorMittal y la Universidad Nebrija imprimen en 3D un chasis de moto que tiene el potencial de revolucionar la industria

24.02.2022 | Comunicados

» Es un chasis integral de acero que combina las propiedades mecánicas de este material con la ligereza normalmente asociada a otros como el aluminio o el titanio. Este hito ha sido posible gracias a un innovador diseño geométrico totalmente hueco.

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La tecnología y conocimiento de impresión 3D de ArcelorMittal, el trabajo de sus diseñadores y los algoritmos de diseño inteligente de la Universidad Nebrija han hecho posible el desarrollo de esta pieza tan innovadora.  

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Sergio Corbera (Universidad Nebrija): “La fabricación aditiva y el diseño inteligente marcarán el futuro. Esta aplicación probablemente pueda ser un punto de inflexión en el mundo de las motos y en la industria en general”.

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Paula Rodríguez (ArcelorMittal I+D): “Hemos diseñado y fabricado conjuntamente un chasis rupturista que es un 20 % más ligero que los fabricados en cualquier otro material y ofrece prestaciones mecánicas muy interesantes”. 

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El acero es un material extraordinariamente versátil que presenta muchas ventajas; entre ellas, sus propiedades mecánicas. No obstante, su uso en ciertas aplicaciones en las que el peso puede ser un elemento crítico puede llegar a conferirle una posición inicial de desventaja. Conseguir que componentes de acero sean más ligeros que los de aluminio y titanio, con unos costes controlados, es un desafío que, según Sergio Corbera, director del Área de Ingeniería del Motor de la Universidad Nebrija, “parece sencillo, pero es monstruosamente complejo”. Este fue el punto de partida de una intensa colaboración entre la organización de I+D de ArcelorMittal, que aportó su tecnología en fabricación aditiva y sus conocimientos en diseño y simulación que permitieron guiar todo el proceso hasta obtener la geometría final, y Universidad Nebrija, que contribuyó con sus desarrollos en técnicas de diseño inteligente, conocimientos y experiencia en vehículos de competición, aspectos todos ellos clave para lograr este hito.

Esta colaboración estrecha entre la Empresa y el grupo de investigación en Materiales y Fabricación Avanzada (MOD3RN) de la Universidad Nebrija se ha plasmado en la fabricación de un chasis de acero que podría revolucionar el mundo de las motos. “Las simulaciones parecen indicar que hemos conseguido un chasis muy equilibrado y que a priori debe permitir un muy buen comportamiento de la moto en el circuito. Hemos aplicado una tecnología de fabricación nueva (impresión 3D) para este sector con un material que podía parecer a priori relegado para esa industria y con unas formas geométricas que rompen con lo habitual”, asegura Corbera.

Por lo general, el material más extendido en el mundo de las motos es el aluminio, con alguna excepción en acero. Características como la ligereza y ciertas propiedades que, tras años de investigación, proporcionan un buen comportamiento a la moto, han sido factores clave para que este material se haya convertido en un denominador común en cualquier chasis. Lograr desarrollar un chasis de acero capaz de igualar o mejorar la ligereza del aluminio y que aporte una sensación de conducción y rendimiento similar a los de este material es uno de los hitos logrados por esta alianza entre ArcelorMittal y Nebrija.

Innovación e inteligencia artificial

En su centro de innovación tecnológica en Asturias, ArcelorMittal lleva a cabo una labor de investigación orientada hacia la aplicación de tecnologías digitales punteras, como la impresión 3D o la inteligencia artificial, en la industria siderúrgica, desde los procesos productivos hasta en las aplicaciones de los productos. La Universidad Nebrija integra las técnicas de inteligencia artificial y modelos generativos -diseño inteligente o diseño generativo- para conseguir desarrollar productos que pueden contribuir a generar nuevos casos de éxito dentro de un entorno de investigación e innovación, aplicados en este caso a la industria de competición en automoción.  “Así es como la relación inicial evoluciona hasta convertirse actualmente en toda una línea de desarrollo de alto impacto tecnológico, de la que el chasis es el primer producto que sale a la luz”, comenta Rafael Barea, director del grupo de investigación en Materiales y Fabricación Avanzada de la Universidad Nebrija.

Para conseguir que una pieza en acero sea más ligera que una de aluminio o titanio gracias a la impresión 3D, los investigadores de la Universidad Nebrija diseñaron formas geométricas muy innovadoras que permitían que las piezas pudieran ser huecas. Corbera lo explica: “La nueva forma la teníamos más o menos conseguida con nuestros algoritmos. La posibilidad de generar piezas huecas era la principal incógnita en la impresión 3D de metales. Hablamos de espesores de pared de entre 0,8 y 1 milímetro en el chasis. Esto implicaba abordar varias cuestiones dentro de la impresión 3D: estabilidad de la pieza durante el proceso de impresión como consecuencia de los espesores tan reducidos; control de porosidades y propiedades mecánicas en esos espesores; y orientación de la forma geométrica para evitar soportes internos. Estás incógnitas se fueron resolviendo a lo largo del proyecto de investigación conjunto gracias a ciertas propiedades que aporta el acero en el proceso de impresión y que posibilitaron que la realización de piezas huecas fuera una realidad”.

El hecho de conseguir piezas huecas es la piedra angular de esta colaboración, ya que es la manera de conseguir soluciones muy ligeras en acero, logrando espesores muy reducidos en el proceso de impresión 3D; algo que hoy en día es difícil de obtener con el aluminio y el titanio, y que por tanto podría tener una penalización en su capacidad estructural. Confirmada la estabilidad del acero con esos espesores y aseguradas las propiedades mecánicas, se integraron estas condiciones de contorno en los algoritmos de diseño inteligente para que, de manera automática, fuesen capaces de generar un abanico de formas geométricas innovadoras, que fuesen estables a la hora de imprimirse y cuyo diseño respetase en todo momento ciertas orientaciones que evitasen la generación de soportes internos. “Logrado y validado todo esto, estábamos en disposición de poder aplicarlo al chasis y prácticamente a cualquier pieza”, reseña Corbera.

Entero, hueco y con espesores finos

El diseño del chasis -entero, hueco y con espesores de solo 0,8 a 1 milímetro- es resultado de la innovación geométrica y del conocimiento experto de los diseñadores implicados en el proceso. Probablemente sea de las pocas piezas huecas impresas en 3D que existen tan grandes, con una aplicación tan exigente y con un peso tan reducido. “Nuestro chasis en acero pesa aproximadamente 3,8 kilos. Los chasis de aluminio de marcas de primer nivel no bajan de los 5 kilos, mientras que otros chasis de acero se pueden disparar hasta los 6-7 kg. Parece que la diferencia es pequeña, pero bajar gramos en este tipo de piezas es muy, muy difícil, por lo que hablar de varios kilos supone un avance enorme”, afirma Paula Rodríguez, responsable del proyecto en Global R&D de ArcelorMittal que ha dirigido estos desarrollos desde la Empresa, quien añade: “Además, las primeras sensaciones y datos -que aún debemos confirmar- es que sus prestaciones en servicio, en carrera por así decir, serán únicas”. Nicolás de Abajo, responsable de los Centros de I+D de ArcelorMittal a nivel mundial, afirma: “El trabajo conjunto entre nuestros investigadores y los diseñadores de Universidad Nebrija ha sido extraordinario. Un magnífico ejemplo de lo que se puede llegar a lograr gracias al enorme crecimiento de las tecnologías exponenciales, un planteamiento rupturista y un gran esfuerzo”.

Cabe destacar que en el marco de este proyecto no se ha desarrollado una nueva aleación de acero. Los excelentes resultados se obtienen con un producto estándar, ampliamente disponible, en forma de acero en polvo para procesos de fabricación aditiva. Por lo tanto, más allá de los resultados del chasis, la generación de piezas en acero que puedan competir por ligereza con las de aluminio o titanio puede posibilitar un cambio en esta industria, ya que, combinando la fabricación aditiva con una elección de un grado de acero adecuado puede resultar incluso más competitivo en términos de coste.  Este proyecto abre una puerta para que ciertos componentes puedan fabricarse en acero, permitiendo así la vuelta de este material a muchas aplicaciones de este sector de negocio dentro del mundo del motociclismo de competición.

La Universidad Nebrija, junto a ArcelorMittal, apuesta también por la generación de programas encaminados a la automatización del proceso de desarrollo. De acuerdo con Sergio Corbera, “estamos trabajando en sistemas que imitan lo que hace un equipo de ingeniería actual para ser capaces de tomar todas las decisiones que rodean al diseño de un chasis, por ejemplo, de manera autónoma y en mucho menos tiempo que cualquier equipo de ingenieros”.

El área del automóvil es uno de los puntales de la Universidad Nebrija, que integra el Máster en Ingeniería de Vehículos de Competición, el Grado en Ingeniería del Automóvil -con la colaboración de Yamaha MS Racing-, el Club del Automóvil Nebrija y colaboraciones especiales como la del Astara Team en el Rally Dakar 2022.

ArcelorMittal and Nebrija University use 3D printing to build a motorbike chassis with the potential to revolution in the industry

» This chassis, made exclusively of steel, combines the mechanical properties of this material with the lightness characteristic normally associated with other materials such as aluminium or titanium. This milestone has been possible thanks to a completely hollow and innovative geometrical design.

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ArcelorMittal’s 3D technology and expertise, the work of its designers and the smart design algorithms of Nebrija University have made it possible to develop this ground-breaking component.

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Sergio Corbera (Nebrija Universidad): “Additive manufacturing and smart design will shape the future. This application may well be a turning point in motorbike production and in industry in general”.

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Paula Rodriguez (ArcelorMittal R&D): “Together, we have designed and manufactured a disruptive chassis, which is 20% lighter than those made in any other material and offers very interesting mechanical performance”. 

Steel is an extraordinarily versatile material that offers many advantages; among them, its mechanical properties. However, its use in certain applications where weight may be a critical factor may initially place it at a disadvantage. Managing to make steel components lighter than those made of aluminium or titanium, while controlling their cost, is a challenge that, according to Sergio Corbera, head of the Motor Engineering Area at Nebrija University, “seems simple, but is enormously complex”. This was the starting point of intense collaboration between ArcelorMittal’s R&D organisation, which brought to the project its technology in additive manufacturing and its expertise in design and simulation that guided the whole process up to the development of the final geometry, and Nebrija University, which contributed its developments in smart design technology, its expertise and experience in racing vehicles, all key aspects in the achievement of this milestone.

This close collaboration between the Company and the Materials and Advance Manufacturing research group (MOD3RN) at Nebrija University has led to the manufacture of a steel chassis that could revolutionise the motorbike world. “The simulations seem to indicate that we have achieved a well-balanced chassis, which a priori should give the motorbike a very good performance on the race track. We have applied a manufacturing technology (3D printing) which is new for this sector, using a material that a priori might seem to have been displaced by alternative materials in this industry, and with radically innovative geometrical shapes”, Corbera said.

Generally speaking, the most widely-used material in the motorbike industry is aluminium, with steel in some exceptions. Characteristics such as lightness and certain properties which, after years of research, result in a good performance of the motorbike, have been a key factor in this material becoming a common denominator in any chassis. Managing to develop a steel chassis capable of equalling or even improving on the lightness provided by aluminium and that gives a riding experience and performance similar to those obtained with the latter material is one of the milestones achieved in this partnership between ArcelorMittal and Nebrija.

Innovation and artificial intelligence

In its technological innovation centre in Asturias, ArcelorMittal is researching the application of state-of-the-art digital technologies, such as 3D-printing and artificial intelligence, to the steel industry, from production to application. Nebrija University integrates artificial intelligence and generative modelling techniques – smart design or generative design – to develop products that can contribute to creating new success stories within a research and innovation environment, applied in this case to the automotive racing sector. “This is how the initial relationship evolved and has now become a whole line of development with a high technological impact, of which this chassis is the first product to be presented”, commented Rafael Barea, head of the Materials and Advance Manufacturing research group at Nebrija University.

In order to achieve a steel part that is lighter than one of aluminium or titanium through the use of 3D printing technology, researchers at Nebrija University designed highly innovative geometrical shapes that allowed the production of hollow parts. Corbera explained: “With our algorithms, we had more or less achieved the new shape. The possibility of generating hollow parts was the main unknown for 3D printing with metals. We are talking about wall thicknesses ranging from 0.8 to 1 millimetre in the chassis. This implied addressing several aspects within the 3D printing operation: stability of the part during the printing process, in view of the very fine thicknesses; controlling pores and mechanical properties with these thicknesses; and orientation of the geometrical shape to avoid internal supports. These unknowns were progressively overcome during the joint research project, thanks to certain properties provided by steel in the printing process and which allowed the production of hollow parts to become a reality”.

Achieving hollow parts is the cornerstone of this partnership, as it opens the way to developing very lightweight steel solutions, thanks to the very fine thicknesses obtained in the 3D printing process; to date, this is difficult to obtain with aluminium and titanium and could therefore have a negative impact on the structural strength of the part. Once the stability of the steel solution with these thicknesses had been confirmed and the mechanical characteristics had been determined, these boundary conditions were integrated in the smart design algorithms so that these were capable of automatically generating a range of innovative geometrical shapes that were stable in the printing process, and with a design that always ensured certain orientations to avoid the generation of internal supports. “Once all this had been achieved and validated, we were in a position to apply it to the chassis, and to practically any part”, Corbera noted.

Seamless, hollow and with fine wall thicknesses

The design of the chassis – seamless, hollow and with wall thicknesses of only 0.8 to 1 millimetre – is the result of geometric innovation and the expertise of the designers involved in the process. It is probably one of the few 3D-printed hollow parts that exist in such a size, for such a demanding application and with such a light weight. “Our steel chassis weighs approximately 3.8 kilograms. None of the aluminium chassis of top brands weigh less than 5 kilograms, while the weight of other steel chassis can go up to 6-7 kilograms. The difference may seem small, but reducing grams in this type of parts is very, very difficult; therefore, a reduction of several kilograms represents enormous progress”, said Paula Rodríguez, head of the project at ArcelorMittal Global R&D, who has led these developments at the Company. She added: “Moreover, the initial feeling and data – which we still have to confirm – is that its performance in service, on the race track as it were, will be unmatched”. Nicolás de Abajo, global head of R&D centres at ArcelorMittal, commented: “The joint work carried out between our researchers and the designers at Nebrija University has been extraordinary. An excellent example of what can be accomplished thanks to the huge growth of exponential technologies, a disruptive approach and a great effort”.

Noteworthy is that this project did not include the development of a steel alloy, with the excellent results being achieved using a standard, widely available, steel powder for additive manufacturing. So, beyond the results achieved in the chassis, the development of steel parts that can compete in weight with aluminium or titanium could lead to a major change in this industry, as additive manufacturing combined with the right steel grade may result in an even more cost-competitive solution. This project opens the door to certain components being made of steel, thus supporting the return of this material for many applications in this business sector within the racing motorbike field.

Nebrija University, jointly with ArcelorMittal, also focuses on the generation of programmes aimed at automating the development process. As Sergio Corbera explained, “we are working on systems that imitate the work currently carried out by a team of engineers in order to be able to make all the decisions around the design of a chassis, for example, autonomously and in a much shorter time than any team of engineers”.

The automotive area is one of the main pillars of Nebrija University. It includes the Master’s Degree in Engineering for Racing Vehicles, the Degree in Automotive Engineering -with the collaboration of Yamaha MS Racing-, the Nebrija Automobile Club, and special collaborations, such as that of the Astara Team in the 2022 Dakar Rally.