Fabricación aditiva para sistemas de frenos de próxima generación

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Ligera y eficiente: los beneficios adicionales de la fabricación aditiva

Cuando se trata de los sistemas de frenado utilizados en los trenes, la seguridad, la fiabilidad y el rendimiento son siempre la prioridad número uno. En estos ámbitos, Wabtec lidera el camino con nuestras soluciones de frenos Metroflexx y Regioflexx. Metroflexx establece el estándar para la industria ferroviaria de transporte público, mientras que Regioflexx es nuestra solución de última generación para trenes suburbanos, interurbanos, regionales y de alta velocidad.

Además de ser lo más seguros posible, ambos sistemas también se encuentran entre los más livianos y eficientes del mercado, lo que brinda importantes beneficios a los operadores de trenes. Nuestros ingenieros lo consiguen gracias a dos características principales de diseño y fabricación: el uso de software en lugar de componentes neumáticos y la fabricación aditiva. Al aprovechar estas soluciones modernas e innovadoras, aumentamos la confiabilidad y el rendimiento de ambos productos de frenos, al tiempo que reducimos el tiempo y los costos de mantenimiento e instalación y generamos múltiples eficiencias.

Un enfoque innovador para el diseño y la fabricación de frenos

Al desarrollar Metroflexx y Regioflexx, Wabtec dio un gran paso adelante al reemplazar algunos componentes neumáticos que desempeñan funciones críticas para la seguridad en los sistemas de frenos por una emulación de software con el mismo nivel de seguridad. La ventaja de esto es evidente: un componente que no es realmente un producto físico no genera costes más allá del desarrollo y la validación, no pesa, no crea restricciones de instalación y no requiere mantenimiento. Si bien los componentes neumáticos requieren ajustes específicos para el proyecto, una vez reemplazados por un software de emulación, los ajustes se reemplazan por parámetros de software que solo es necesario corregir una vez para el proyecto.

Este cambio es innovador y Wabtec podría haberse quedado ahí, pero decidimos ir aún más lejos. Decidimos explorar el uso de la fabricación aditiva para el resto de las piezas neumáticas con el fin de reducir el peso y hacer que nuestros productos fueran aún más ventajosos para los clientes.

Cuando se añade la fabricación aditiva a la mezcla

Los componentes neumáticos se fabrican tradicionalmente de aluminio, ya sea mecanizado en lingotes de aluminio o, cuando los volúmenes de fabricación lo permiten, fundidos. Cada componente está montado en un panel perforado o pegado o montado en una tubería, y cada interfaz entre un componente neumático y su soporte requiere sujetadores y sellos para garantizar su hermeticidad. Si bien este sistema garantiza que los componentes se puedan desmontar fácilmente para su mantenimiento, el uso de piezas adicionales tiene un precio: las juntas de cada interfaz deben reemplazarse durante la revisión del sistema de frenos y pueden ser propensas a sufrir fugas. Esto implica un aumento de los costes de mantenimiento y una menor fiabilidad, así como un peso adicional.

Cuando Wabtec estaba desarrollando Metroflexx y Regioflexx, la tecnología de fabricación aditiva ya estaba revolucionando varios sectores, incluido el ferrocarril. Si bien nuestros ingenieros ya habían reducido al mínimo la cantidad de componentes neumáticos utilizados en Metroflexx y Regioflexx, también queríamos aprovechar al máximo esta nueva tecnología para impulsar aún más la integración física y minimizar la cantidad de interfaces neumáticas necesarias.

Mejoras en todas las áreas

La imagen superior de la figura 1, que aparece a continuación, muestra el diseño inicial de la placa principal de Metroflexx, con aluminio fundido y componentes neumáticos clave enmarcados en la placa, con juntas en cada interfaz neumática y tornillos. La imagen inferior muestra el diseño de la misma placa Metroflexx con un diseño de fabricación aditiva.

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Figura 1: La versión inicial de Metroflexx con placa fundida y la versión impresa en 3D

La tecnología aditiva aporta múltiples beneficios: al producto en sí, a la forma en que se produce y a lo largo de todo su ciclo de vida.

Integración física

• El cuerpo de los componentes neumáticos clave está totalmente integrado en el cuerpo de la placa, lo que limita el número de interfaces neumáticas y mecánicas. Además, la cantidad de sellos se reduce considerablemente, lo que mejora la confiabilidad y reduce los costos de mantenimiento.
• Las tuberías internas están muy optimizadas, lo que mejora el rendimiento neumático. La colocación de los componentes en la placa también se puede optimizar, sin restricciones de mecanizado, lo que facilita el mantenimiento.
• La versión impresa en 3D de Metroflexx fusiona no menos de 32 piezas separadas en un solo componente.

Mejora de peso

En los equipos de control de frenos tradicionales con cremallera electrónica, panel de freno neumático y válvulas de protección antideslizamiento de las ruedas, el control de frenado pesa alrededor de 70 kg.

Metroflexx, que reemplaza a los equipos de control de frenos tradicionales, pesa 15 kg en el diseño inicial con una placa de aluminio fundido. Cuando se fabrica con una placa de fabricación aditiva, el peso de Metroflexx se reduce a 10 kg, lo que representa una mejora de peso del 33%. La diferencia de 5 kg no tiene un impacto importante en la carga útil del tren, pero marca una gran diferencia en términos de mantenimiento. Como unidad reemplazable en línea (LRU), con un peso de 10 kg, un solo operador puede reemplazar Metroflexx (o Regioflexx) en el tren en menos de 20 minutos sin necesidad de herramientas especiales, lo que significa que la reparación o la revisión se pueden realizar en un taller especializado sin afectar la disponibilidad del tren. Con un peso de 10 kg, Metroflexx y Regioflexx son, con diferencia, los controles de frenos integrados más livianos disponibles en el mercado.

Procesamiento

El tiempo de mecanizado se reduce en un 80% y la energía necesaria para producir la pieza se divide por cuatro. Nuestra cadena de suministro se vuelve más flexible, ya que ya no dependemos de los proveedores de piezas fundidas. Esto se traduce en una menor necesidad de transporte y en la posibilidad de pedir las cantidades necesarias, sin requisitos mínimos.

Evolución del diseño

El diseño es totalmente flexible, por lo que las modificaciones se pueden realizar según sea necesario simplemente cambiando el modelo digital asociado, lo que elimina los costos relacionados con las modificaciones de las herramientas.

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Figura 2: La versión inicial de Metroflexx con placa fundida y la versión impresa en 3D

Pruebas exhaustivas para garantizar la seguridad

Cuando se trata de equipos críticos para la seguridad, como los sistemas de frenado, Wabtec se toma muy en serio las pruebas y la validación de nuestras innovaciones. La fabricación aditiva no es una excepción. Nuestros productos se han sometido a las pruebas más rigurosas para validar sus características de seguridad clave.

1. Examinamos cómo garantizar que los canales neumáticos se mantengan limpios y libres de contaminación, específicamente en las tuberías y los componentes.
2. Nuestros laboratorios realizaron pruebas hidráulicas y de fatiga a alta presión para garantizar la solidez del producto bajo presión.
3. Los productos se sometieron a choques y vibraciones para garantizar que pudieran soportar el entorno real de un tren.
4. Realizamos pruebas ambientales, que incluyeron exponer los productos a temperaturas extremas y a niebla salina.

Este amplio programa de validación nos permitió confiar plenamente en que esta tecnología podía garantizar el mismo nivel de seguridad y durabilidad que los sistemas y componentes neumáticos fabricados de forma tradicional.

Fabricación aditiva: capa tras capa de beneficios

Las ventajas que ofrece el uso de la fabricación aditiva son innumerables y no se pueden exagerar. Esta tecnología no solo reduce el peso de las piezas producidas, sino que también permite la integración entre el producto y la función, lo que limita la necesidad de mantenimiento del equipo. Reduce los tiempos de fabricación y entrega de las piezas de repuesto, al tiempo que aligera la cadena de suministro. Estas ventajas, que son ventajosas para los operadores de trenes, también son buenas para el medio ambiente, ya que hacen que el proceso de fabricación sea mucho más ecológico al reducir significativamente el consumo de energía.

De cara al futuro, Wabtec decidió recientemente construir un centro europeo de fabricación aditiva en Tours (Francia). La planta tiene capacidad para fabricar piezas de polímero y metal, y ofrece servicios para toda la cadena de valor, desde la consultoría de diseño, la ejecución de pruebas de concepto y el soporte para la validación y la certificación, hasta la impresión 3D y el posprocesamiento (mecanizado, pintura, tratamiento de superficies...).

Nos comprometemos a aprovechar el potencial de esta tecnología revolucionaria para crear sistemas de frenado cada vez más fiables y eficientes que ayuden a la industria del transporte ferroviario a avanzar hacia un futuro más seguro y ecológico.