La Pregunta de Ingeniería
¿Puede aligerarse una mangueta de dirección significativamente sin comprometer su integridad estructural?
La mangueta de dirección original de acero pesaba 6.3 kg, contribuyendo en gran medida a la masa no suspendida del vehículo. El objetivo era rediseñarla con el fin de minimizar el peso sin comprometer su integridad estructural, reduciendo costes y considerando los impactos medioambientales de esta reducción de masa.
Comprendiendo el Componente Existente
Capturando la geometría existente para el rediseño paramétrico.
Escaneo 3D y Malla
CAD Paramétrico
Verificando la Hipótesis Inicial
El diseño original fue analizado para validar la hipótesis del proyecto.
Se simuló un caso de carga combinada (frenado máximo, giro máximo e impacto en bache máximo) en la mangueta de dirección original para establecer una línea base. El análisis confirmó que el componente original contenía regiones cuya solicitación era escasa e incluso nula, validando la hipótesis de que la pieza estaba sobredimensionada.
Desarrollo de Concepto
La optimización por sí sola no fue suficiente.
El rediseño combinó el análisis de ingeniería con la exploración de conceptos. El lenguaje visual y estructural del componente fue rediseñado intencionalmente, explorando ideas y estéticas alternativas en lugar de basarse únicamente en la optimización topológica pura.
Rediseño CAD
Transformando el concepto en un modelo CAD fabricable.
Preservar las interfaces funcionales era fundamental. La geometría optimizada se construyó utilizando modelado paramétrico, asegurando que se cumplieran las consideraciones de fabricación y se mantenía el nuevo lenguaje de diseño.
CAD de Rediseño Final Reconstrucción Original Validación Estructural Final
El componente rediseñado se validó bajo las mismas condiciones de carga.
El rendimiento estructural se mantuvo. El factor de seguridad se mantuvo muy por encima de 2.0 bajo casos idénticos de carga combinada, logrando al mismo tiempo una reducción de masa del 33.3%.
Diseño Final
Una mangueta de dirección más ligera y optimizada.
Resultados de Ingeniería
Conclusiones Principales.
33.3%
Reducción de Masa
6.34.2kg
Peso Final
>2
Factor de Seguridad
Reflexiones de Ingeniería
Perspectivas del proceso de rediseño.
Qué funcionó bien: La reconstrucción paramétrica directamente a partir de los datos de escaneo fue muy exitosa, preservando todas las interfaces funcionales con precisión.
Mayor desafío de ingeniería: Traducir la salida en bruto y facetada de la optimización topológica en un modelo CAD suave y fabricable requirió un extenso trabajo manual de superficies.
Qué se podría mejorar: Establecer un sistema de coordenadas más robusto y aplicar marcadores de referencia durante el escaneo 3D inicial habría agilizado el proceso de alineación.
Principales lecciones técnicas aprendidas: La optimización es solo una parte del proceso de ingeniería; las restricciones geométricas, estéticas y de fabricación dictan el lenguaje visual final tanto como la distribución de esfuerzos.
Próximos Pasos
Oportunidades futuras de desarrollo.
Transición a aluminio y rodamientos atornillados
Frente al empleo de acero y rodamientos montados mediante ajuste a presión en la mangueta original del Ford Focus, la tendencia actual de la industria del automóvil se orienta hacia el uso de aleaciones de aluminio y sistemas de fijación atornillados. Esta solución permite reducir la masa del conjunto, mejorar la mantenibilidad del vehículo y facilitar la sustitución e intercambiabilidad de componentes durante su vida útil.
Diseño generativo y fabricación aditiva
Como evolución natural, podría desarrollarse una metodología basada en diseño generativo para obtener soluciones todavía más eficientes. La fabricación aditiva metálica permitiría materializar estas geometrías complejas con un grado de libertad imposible de alcanzar mediante procesos convencionales.
Validación experimental mediante ensayos de fatiga
El siguiente paso lógico tras este proyecto consiste en validar experimentalmente el comportamiento del componente. Aunque la integridad estructural se ha verificado mediante simulación por elementos finitos bajo el caso de carga combinado, la validación física mediante ensayos de fatiga en un banco de pruebas resulta imprescindible para evaluar la durabilidad del diseño y confirmar su viabilidad en condiciones reales de servicio.
Resumen Ejecutivo de Ingeniería
Rediseñar una mangueta de dirección más ligera sin comprometer su integridad estructural, fabricabilidad ni prestaciones.
Descripción General
Este Trabajo de Fin de Grado se centró en el rediseño de la mangueta delantera de un Ford Focus Active 2021 mediante ingeniería inversa, optimización topológica y desarrollo de producto asistido por CAD.
El objetivo no fue únicamente reducir la masa no suspendida, sino desarrollar una solución de ingeniería fabricable que equilibrara comportamiento estructural, criterios de sostenibilidad y diseño de producto.
Decisiones de Ingeniería
- Ingeniería Inversa: La geometría del componente original se digitalizó mediante escaneado 3D y se reconstruyó como un modelo CAD completamente paramétrico, preservando todas las interfaces funcionales y restricciones geométricas.
- Análisis Estructural: Antes de plantear cualquier rediseño, la mangueta original fue analizada mediante Elementos Finitos bajo un caso combinado de carga para identificar regiones sobredimensionadas y validar la hipótesis de reducción de masa.
- Desarrollo del Concepto: La optimización topológica se utilizó como herramienta de apoyo al diseño, combinándose con un proceso de exploración conceptual para desarrollar una solución que mejorara tanto el comportamiento estructural como la geometría final del componente.
- Diseño para Fabricación: El resultado de la optimización fue reconstruido como un modelo CAD fabricable, considerando criterios de manufacturabilidad, integración funcional y viabilidad industrial.
Validación
El componente rediseñado se evaluó mediante el mismo caso combinado de carga aplicado a la pieza original, permitiendo una comparación directa de su comportamiento estructural. Las simulaciones mediante Análisis por Elementos Finitos (FEA) confirmaron que el nuevo diseño mantenía un factor de seguridad superior a 2 bajo las condiciones de carga más exigentes.
Resultado
- Reducción de masa del 33,3 % (6,3 kg → 4,2 kg).
- Factor de seguridad superior a 2 bajo cargas críticas.
- Ahorro estimado de 29 litros de combustible durante la vida útil del vehículo.
- Reducción estimada de 73,4 kg de CO₂ por vehículo, considerando tanto la fabricación como la fase de uso.
- Trabajo calificado con Matrícula de Honor (9,3/10).