La pequeña unidad de control de motor japonesa que podría cambiarlo todo
La industria global del motor está enfrascada en una pugna por adaptarse a varios cambios importantes: la proliferación de regulaciones dictadas por los gobiernos y el Acuerdo de París sobre el Cambio Climático, los vertiginosos avances de la tecnología (algunos de los cuales colocan a la industria en competición directa con gigantes tecnológicos como Google) y unos clientes que demandan una mayor eficiencia y menos emisiones de carbono.
Con este fin, los fabricantes de coches están buscando maneras de mejorar el rendimiento del motor y reducir el peso del vehículo. Para conseguirlo, están reexaminando las más de 30 000 piezas que conforman el coche, como el volante, los pedales, los asientos, el motor, los frenos y un componente clave que es lo bastante pequeño como para que quepa en la palma de la mano: la unidad de control de motor (o ECU, por su nombre inglés).
La ECU es un sistema de control de inyección de combustible que determina el suministro adecuado de combustible que necesita el motor: imagínatelo como el “cerebro” de ese motor. Este sistema cumple una función vital, ya que optimiza la cantidad de combustible y el ritmo al que se inyecta, algo que puede mejorar el rendimiento de la conducción y reducir la cantidad de emisiones contaminantes.
En 2019, el Premio iF Design al Concepto Profesional se lo llevó DENSO Corporation, un fabricante japonés de piezas de automóvil, por un nuevo diseño de ECU. Fundada hace 70 años, DENSO desarrolla en la actualidad tecnologías para vehículos autónomos y eléctricos, inteligencia artificial (IA), movilidad como servicio (MaaS) y hasta informática cuántica. Para optimizar la ECU, Akira Okamoto, subdirector de proyecto del departamento de diseño de producto de DENSO, se ayudó del diseño generativo para alcanzar dos objetivos primordiales: aligerar la pieza y mejorar su rendimiento térmico.
Okamoto está desarrollando una ECU para su montaje en motores diésel de pequeñas dimensiones para su uso en maquinaria agrícola y de construcción, incorporando el diseño generativo a su método de trabajo para crear modelos conceptuales avanzados. “Desde el principio diseñé los componentes dando prioridad a la ligereza —explica Okamoto—. Me di cuenta de que más adelante podía usar el diseño generativo para reducir aún más el peso”.
La “temperatura ambiente” de un motor puede alcanzar los 120 °C. Para funcionar sin problemas, la temperatura del hardware de la ECU tiene que estar por debajo de esa cifra, para lo cual dispersa el calor desde los puntos en los que está en contacto con el bloque del motor, donde la temperatura ronda los 105 °C.
“Puedo partir de mi propia experiencia para visualizar una forma que disipe bien el calor —asegura Okamoto—. Pero en un diseño liviano hay menos caminos por los cuales extraerlo, con lo que se reduce la eficiencia de su disipación. Pensé que podía usar el diseño generativo para crear piezas de formas nuevas que fueran ligeras y a su vez mantuvieran sus propiedades de dispersión del calor”.
Resolver el dilema de la disipación del calor
En la fase de investigación, Okamoto utilizó las aplicaciones de diseño generativo de Autodesk Fusion 360, aunque no ofrece parámetros relacionados con el calor. “Para calcular cuestiones de calor, mi hipótesis fue que tendría que tratarlo como si fuera una carga. Así pues, sería añadiendo cargas a zonas que debían dispersar el calor como encontraría la forma óptima”, explica Okamoto. DENSO colaboró con socios del grupo Nichinan y con los diseñadores Satoshi Yanagisawa y Yujiro Kaida durante el proceso.
En el diseño generativo, la IA crea numerosas variaciones de diseño basadas en los parámetros facilitados por el diseñador. Al ir cribando las opciones —descartando diseños poco apropiados y aceptando otros—, se puede llegar al diseño óptimo. “Nuestro trabajo al diseñar esta ECU fue un proceso de prueba y error; se generaron muchos diseños inutilizables —cuenta Okamoto—. Sin embargo, las variaciones que se podían utilizar empezaron a adoptar formas parecidas”.
“Lo que me gustó de este proceso fue que podía imprimir un modelo en 3D y hacerme una idea más clara de cómo fluiría el calor alrededor de la pieza. Muchos de los modelos eran feos a primera vista, pero luego empezabas a apreciar su belleza intrínseca. El diseño final tenía una forma preciosa que hemos modificado para permitir su fabricación mediante métodos convencionales”.
Diseñar con la producción en mente
Los objetos creados con diseño generativo pueden ser difíciles de producir sin recurrir a la impresión 3D, una tecnología no apta para la producción en masa: “Cuando necesitas decenas de miles de piezas, el coste y los tiempos de producción pueden ser un gran obstáculo”, reconoce Okamoto. Para este proyecto, el equipo incorporó elementos del proceso de diseño generativo a una pieza que se pudiera producir mediante un moldeado a presión convencional.
Para ello, fabricaron una cubierta de placa base de forma geométrica y la integraron con una estructura creada mediante diseño generativo. Emplearon Alias SpeedForm y Fusion 360 de Autodesk para reducir el tamaño del conjunto y darle una forma lisa, mientras que los ajustes para producción se realizaron por métodos convencionales de fabricación. “Combinamos los elementos esenciales de cada componente para crear la forma de la unidad al completo”, explica Okamoto.
Al modelo de metal cortado lo llamaron Direct Mounted ECU Concept: “Logramos una reducción del peso total de 12 %, pero conseguimos mantener la capacidad de disipación del calor del original. A pesar de que una reducción del peso supone menos vías para que se escape el calor, al ser el rendimiento idéntico, podemos decir que la capacidad exotérmica de la pieza ha mejorado la del original”.
Si bien Okamoto había experimentado con otros modos de abordar la reducción del peso, como la optimización topológica, esta era la primera vez que probaba el diseño generativo. Le llevó unos tres meses concluir el proyecto: “Pese a que tardamos un poco en ponernos al día, conseguimos resultados en un plazo relativamente breve. Creemos que alcanzaremos logros aún mayores con ECU más grandes, y hemos identificado otras áreas que podemos refinar más en la próxima ronda de diseño”.
Y continúa explicando: “Si aligeramos cada pieza de una en una, aunque solo sea un poco, el resultado total será el de un automóvil mucho más liviano. Podemos transferir estos resultados a otras piezas además de las ECU. Lo ideal sería que pudiéramos aplicar estos métodos sistemáticamente para aligerar los automóviles en su totalidad. Aunque este modelo no es más que una propuesta para nuestros clientes, el siguiente paso es instalarle los elementos electrónicos y poner a prueba su rendimiento para ver el verdadero resultado de nuestro trabajo”.