Exept diseña chasis monocasco ajustables de material compuesto – Primera parte – Femap

Hasta ahora, a la hora de comprar una bicicleta nueva, los aficionados al ciclismo de carretera tenían que elegir entre dos alternativas:

• Cuadros monocasco de las grandes marcas. Disponibles en una gama de tallas fijas, con un rendimiento muy elevado en términos de rigidez respecto al peso (bicicletas muy ligeras y muy rígidas).
• Cuadro a medida fabricado mediante la técnica “tube-to-tube”. Cortando y soldando los tubos y, finalmente, recubriendo las uniones (nodos) con fibra de carbono, con las inevitables desventajas en términos de rigidez estructural.

Sin embargo, ahora existe una «tercera vía», propuesta por la startup italiana EXEPT, una joven empresa de Savona que ha desarrollado un proceso que combina las ventajas de los dos enfoques tradicionales para fabricar cuadros monocasco a medida. La técnica «custom monocoque», ideada por EXEPT, permite fabricar cuadros monocasco a medida para cada ciclista mediante el uso de moldes móviles, sin discontinuidades en la fibra de carbono.

«La clave para que la fabricación de bicicletas sea económicamente viable es el coste de los utillajes«, explica Alessandro Giusto, cofundador de la empresa y responsable de las actividades de innovación y simulación. «Un molde puede costar hasta 50.000-60.000 euros; por tanto, solo las grandes marcas tienen un volumen de producción suficiente para fabricar un molde para cada talla. Nosotros, en cambio, hemos desarrollado una tecnología innovadora que nos permite producir todas las tallas con un único molde ajustable«.

La primera marca italiana produce unas 15.000 bicicletas de gama alta al año, mientras que el plan de negocio de EXEPT prevé alcanzar un máximo de 3.000 unidades en cinco años.

La idea del molde móvil surgió del encuentro entre los tres socios fundadores de EXEPT y de su pasión por las dos ruedas: Alessandro Giusto, Alessio Rebagliati y Wolfgang Turainsky. Fueron necesarios unos dos años y dos ciclos de prototipado para desarrollar prototipos que demostraran la viabilidad del proceso «custom monocoque». El primer cuadro, todavía sin analizar mediante herramientas de simulación ni calcular mediante el método de los elementos finitos, se confió a un ciclista exprofesional para una primera evaluación. Gracias a su aprobación técnica, EXEPT pudo presentar el proyecto a un fondo de inversión (Focus Futuro), que aportó los recursos necesarios para pasar al diseño de detalle y a las fases de ensayo y certificación.

«La bicicleta se diseñó desde el principio siguiendo el nuevo concepto», explica Giusto, «pero inicialmente no nos centramos en la fibra de carbono, porque el diseño de materiales compuestos es una actividad compleja que requiere dedicación a tiempo completo. Una vez obtenidos los fondos para financiar nuestra innovadora idea, pudimos dejar nuestros trabajos anteriores y dedicarnos por completo a la nueva empresa».

Los ensayos preliminares realizados con el primer prototipo, terminado en mayo de 2018 tras solo tres meses de diseño de la configuración definitiva, confirmaron los resultados de las simulaciones y proporcionaron a Giusto y a sus socios las garantías necesarias para seguir adelante con el lanzamiento de la bicicleta en la feria Eurobike.

Gracias a sus experiencias anteriores en empresas de ingeniería de los sectores aeronáutico y deportivo, Alessandro Giusto aprendió a conocer y apreciar la tecnología Simcenter Nastran y, en particular, el entorno de modelización por elementos finitos Femap de Siemens, tanto para el preprocesado como para el posprocesado. «En el sector aeronáutico, Nastran es un estándar de facto y en la empresa también utilizábamos Femap«, recuerda Giusto. «Durante los seis años comprendidos entre 2007 y 2013, desarrollé competencias avanzadas en el uso de estas herramientas«.

Con una experiencia positiva de muchos años a sus espaldas, cuando surgió el proyecto de las bicicletas EXEPT, Giusto retomó inmediatamente el contacto con Siemens. «No necesitaba análisis comparativos ni pruebas de referencia«, afirma. «Sabía que necesitábamos Simcenter Nastran y que la relación calidad-precio de Femap era excelente. Bastó con mantener una conversación con el socio de Siemens SmartCAE, en particular con Francesco Palloni, a quien conocía desde hacía tiempo, para explicarle nuestras necesidades y recibir una oferta adecuada que aceptamos de inmediato«.

El equipo de EXEPT comenzó trabajando con papel y lápiz, avanzando gradualmente hacia niveles de complejidad cada vez mayores para definir las cargas a las que está sometida la estructura. A continuación, desarrolló el primer modelo FEM simplificado.

«Realizamos un modelo muy sencillo, denominado Global FEM en el sector aeronáutico, constituido por elementos unidimensionales (barras), y estudiamos las características de carga de estos tubos en distintas condiciones de pedaleo, frenado e impacto», explica Giusto. «Este enfoque es extremadamente útil porque proporciona indicaciones inmediatas sobre las secciones del cuadro. Después pasamos a un modelo de material isotrópico, simulando un cuadro de aluminio de espesor constante para determinar, a partir de la información obtenida con Global FEM, dónde reducir o aumentar las secciones para optimizar la rigidez y el peso. A continuación, trabajamos en las geometrías, que volvimos a mallar tras introducir cuatro modificaciones, consiguiendo aumentar la rigidez del cuadro un 27 %. Este resultado se obtuvo actuando únicamente sobre las geometrías«.

Una vez optimizada la estructura del cuadro, los técnicos de EXEPT se centraron en el diseño del laminado de fibra de carbono. Para definir el plybook, es decir, la secuencia de laminado del cuadro, Giusto modificó la estructura nada menos que 82 veces, obteniendo resultados excepcionales.

“En comparación con la rigidez inicial del prototipo sin optimizar, aumentamos la rigidez torsional un 150 %, incrementando el peso de la estructura monocasco tan solo un 12 %», destaca Giusto. «En esta fase, Femap nos ofreció una enorme ventaja en términos de tiempo y costes, ya que nos permitió probar y analizar la estratificación y la orientación de las fibras exclusivamente en un entorno virtual, prácticamente sin aumentar la cantidad de material utilizado”.

EXEPT realizó análisis comparativos exhaustivos de las prestaciones de más de 800 cuadros de serie (es decir, fabricados en tallas estándar) disponibles actualmente en el mercado y producidos en los últimos 3-4 años, con el objetivo de identificar y alcanzar niveles de rigidez y peso propios de la gama alta.

«El primer cuadro, incluso antes de optimizarlo, ya ocupaba el tercer puesto en rigidez entre los 800 cuadros analizados«, señala Giusto. «Habíamos llevado la rigidez tan al límite que, tras realizar pruebas en carretera, decidimos reducirla para encontrar el equilibrio adecuado entre rigidez y manejabilidad. Pero ya se sabe: reducir un valor que se ha maximizado siempre es mucho más sencillo que maximizarlo«.

A finales de junio de 2018, los ensayos realizados con fines de certificación en un laboratorio independiente alemán confirmaron las excelentes prestaciones del sistema «custom monocoque» desarrollado por EXEPT y la fiabilidad de las simulaciones con Femap: la desviación entre los resultados experimentales y los de la simulación fue inferior al 5 %.

Giusto destaca la gran aceleración que Femap ha aportado al desarrollo de los nuevos cuadros monocasco de EXEPT. «Compramos Femap con Simcenter Nastran en septiembre de 2017 y empezamos a laminar la fibra de carbono en enero de 2018, entregando el plybook a finales de marzo. Por tanto, completamos más de ochenta iteraciones en menos de tres meses. Basta pensar que el tiempo medio de desarrollo de una bicicleta de marca es de dos años. Nosotros lanzamos nuestro modelo en julio, después de haber empezado a trabajar a tiempo completo menos de un año antes. Todo esto fue posible únicamente gracias a la simulación. No realizamos ninguna iteración física. Los departamentos técnicos de las grandes marcas, a los que acudimos inicialmente para presentar nuestra idea, siguen un enfoque convencional, más práctico, pero parten de los conocimientos de su proveedor de fibra de carbono y recurren a estudios externos para las fases posteriores de desarrollo«.

Alessandro Giusto no tiene dudas cuando se le pide que señale las principales ventajas de Femap. «El principal factor de éxito es el posprocesado, sin duda el mejor de todos los que he utilizado a lo largo de mi carrera«, afirma. «Femap no hace cosas diferentes de otros solvers y quizá ofrece funciones menos sofisticadas para el análisis no lineal, que, en cualquier caso, resultan redundantes para quienes trabajan con fibra de carbono. En cambio, el software de Siemens nos permite consultar mejor el modelo y extraer la máxima cantidad de información posible de estructuras como nuestros cuadros. Por ejemplo, gracias a los análisis free body, podemos comprender mejor qué fuerzas se intercambian dentro de la estructura«.

La comprensión del modelo se ve facilitada por la visualización gráfica clara e intuitiva de Femap, que también ofrece herramientas avanzadas de generación de informes para extraer datos. De este modo, la construcción del modelo resulta intuitiva, rápida y ágil. Las ventajas del software se ven reforzadas por la relación de larga trayectoria que los socios de EXEPT mantienen con SmartCAE, el socio de Siemens que ha acompañado a la startup desde sus primeros pasos.

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