Cómo se podrían diseñar y fabricar los coches del futuro como teléfonos inteligentes

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Kevin Czinger considera que los automóviles se pueden diseñar y fabricar como teléfonos inteligentes, con marcas que desarrollan productos imprescindibles con la ayuda de supercomputadoras con inteligencia artificial y aprendizaje automático, y con la construcción encomendada a una constelación desglobalizada de fabricantes por contrato. La fabricación aditiva, o impresión 3D, es clave para su visión y es la misión de su empresa, Divergent 3D.

Cuando cubrí por primera vez la idea de Czinger en 2017, la arquitectura de su vehículo incluía nodos de aluminio impresos en 3D que conectaban tubos de fibra de carbono cortados a medida. Hoy en día, los tubos de carbono ya no existen y los nodos han evolucionado hasta convertirse en estructuras mucho más inteligentes, como subchasis (para el Aston Martin DBR22), componentes de suspensión, una caja de transmisión (de Xtrac) y quizás pronto un bloque de motor.

El hipercoche Czinger 21C en el que hemos viajado es una glamorosa prueba de concepto para una visión más amplia en la que la fabricación con bajas inversiones y bajas emisiones de carbono permite un transporte asequible. Entre los desarrollos más impresionantes realizados desde 2017 se encuentran los algoritmos de diseño asistido por computadora que ha desarrollado la firma de Czinger, que aprovechan la optimización estructural evolutiva bidireccional (BESO). Este proceso de diseño iterativo determina no sólo la forma del componente que será producido por la "impresora" de sinterización de metal en polvo de 12 láseres, sino también la aleación ideal de la que está hecho.

Los ingenieros comienzan definiendo la forma geométrica básica de una pieza o estructura, sus ubicaciones de montaje, las cargas que se espera que soporte en condiciones normales, la deformación que debe permitir en un choque, los requisitos de fatiga, las preocupaciones sobre la reparabilidad, las condiciones ambientales de operación (por ejemplo, ¿será expuestos a elementos corrosivos o temperaturas extremas?), y finalmente objetivos de peso y coste. Una vez programadas todas estas condiciones, los algoritmos de Czinger seleccionan una aleación de metal ideal para la pieza, eligiendo entre 28 elementos asequibles y generalmente accesibles. También define la forma ideal, colocando material solo donde sea necesario por motivos de estructura, flujo de fluido u otras razones. Finalmente, programa la estrategia de capa de impresión 3D más eficiente en energía láser para la pieza.

Cuando sea necesario, la computadora puede subdividir una estructura o pieza en piezas más pequeñas que caben dentro de la impresora 3D dada, recomendando el mejor enfoque para unir piezas individuales, ya sea mediante unión adhesiva o (para piezas reparables) fijación mecánica. Las piezas unidas obtienen las pestañas y ranuras o ventanas necesarias para aplicar y/o curar los distintos adhesivos. Uno de estos hornos se cura en 60 minutos y otro, patentado por Czinger, se cura en 2,0 segundos utilizando luz ultravioleta. Este último se utiliza para "soldar por puntos" piezas destinadas al horno. El objetivo es que cada pieza surja de estos procesos de formación y unión que no requieran más tratamiento térmico ni contramedidas contra la corrosión y solo un mecanizado y posprocesamiento mínimos antes del ensamblaje final.

El resultado es una pieza liviana y resistente que reduce el recuento total de piezas y elimina los procesos de subensamblaje, como una gigacasting de Tesla, pero sin los enormes costos de herramientas que implica comprar una gigantesca plataforma de fundición y formar matrices complejas para múltiples piezas. Se requiere mucha menos energía para producir cada pieza, y los cambios en el diseño del producto son tan simples como enviar un nuevo código a la impresora. También hay un desincentivo mínimo para pasar de producir una pieza a producir otra en la misma máquina.

La línea de montaje propuesta por Czinger ocupa una superficie hexagonal de unos 75 pies de ancho que puede ensamblar 10.000 chasis rodantes o 100.000 subchasis por año. Esta línea tarda de dos a tres semanas en configurarse y ponerse en marcha, al igual que las máquinas de impresión 3D, lo que hace que esta operación de fabricación de pequeño tamaño sea muy rápida de escalar y extremadamente adaptable.

Con una operación de este tipo, el punto de equilibrio de un producto determinado prácticamente desaparece y las consecuencias de un diseño fallido del producto casi se eliminan porque con un mínimo de herramientas tradicionales, la maquinaria se puede programar rápidamente para fabricar piezas para otro automóvil u otra industria. El almacenamiento de piezas de repuesto voluminosas se vuelve innecesario, ya que los repuestos se pueden imprimir bajo demanda.

Lo que más me fascina es el concepto de bloque de motor impreso en 3D de Czinger. No está listo para hablar de detalles, pero imagine dirigir todo el refrigerante y el aceite en los conductos a través del bloque de la mejor manera sin tener en cuenta la carga o la sacudida de los núcleos de arena. Los conductos de aceite y los rociadores se podrían colocar casi en cualquier lugar, el flujo de refrigerante podría dirigirse de maneras nunca antes posibles y el motor podría no necesitar ninguna tubería de fluido externa; diablos, tal vez la aleación podría incluso alterarse localmente para adaptarse a diferentes partes del motor. El mecanizado y ensamblaje final del motor se reducirían enormemente, se mejoraría la confiabilidad y la apariencia exterior seguramente sería mucho más fresca.

Cuando lamento la inminente desaparición de los motores de combustión, Czinger responde con un apasionado argumento a favor de los combustibles electrónicos producidos a partir de CO2 reciclado, una causa que los motores impresos en 3D me dan un nuevo impulso para defender.