Fabricante de bicicletas plegables utiliza corte por láser para componentes de cuadros de titanio

Aunque las bicicletas plegables se diseñaron por primera vez alrededor de 1900, Peter Boutakis no se deja intimidar por esta larga historia y fundó Helix Labs para desarrollar "la mejor bicicleta plegable del planeta". El diseño de plegado de lado a lado de Helix coloca las ruedas al lado del marco y entre las bielas para un almacenamiento eficiente y utiliza titanio para mayor durabilidad.

Los mercados se dividen. Siempre. Todo inventor que haya ideado un nuevo producto sabe, o aprende, que es solo cuestión de tiempo antes de que aparezca un producto similar y desafíe al titular. Incluso algo tan simple como un martillo está disponible en muchos tamaños y estilos: garra, mazo, bola, etc.

Así es con la bicicleta. La primera versión, desarrollada en 1817, era un artilugio simple sin pedales, ruedas dentadas ni cadena. Nombrada Laufmaschine (literalmente, máquina de correr) por su inventor, Karl Drais, fue impulsada por un movimiento de carrera. El vehículo de ruedas altas, difícil de manejar, saltó a la fama en la década de 1870, y fue reemplazado en 1885 por un nuevo concepto, uno comercializado inicialmente como la bicicleta de seguridad. Equipado con dos ruedas del mismo tamaño, impulsadas por pedales montados en ruedas dentadas e impulsadas por una cadena que engrana un engranaje en la rueda trasera, los elementos de diseño no han cambiado mucho desde entonces.

Esto no significa que el mercado no haya seguido dividiéndose. De hecho, lo tiene. Los ciclistas de hoy pueden elegir bicicletas para el deporte o el ocio en varios estilos: montaña, carretera, híbrida, crucero, reclinada, tándem, eléctrica y plegable.

Muchos habitantes de apartamentos prefieren bicicletas plegables por su tamaño compacto, y muchos ciclistas serios a menudo guardan una bicicleta en la cajuela de un automóvil y salen a buscar un buen lugar para andar.

Este nicho de mercado es notable por los desafíos de ingeniería y fabricación. Diseñar una bicicleta para plegarse no es tarea fácil; diseñar uno que se pliegue y se monte bien es aún más difícil. Se trata de equilibrar tres limitaciones: manejabilidad, peso y tamaño cuando está plegado. El empresario, maquinista, soldador, programador CNC, desarrollador de software y entusiasta del ciclismo Peter Boutakis pensó que tenía algo que aportar al mercado de las bicicletas plegables cuando fundó la empresa de fabricación Helix Labs Inc. en Toronto para perseguir un objetivo ambicioso: diseñar y fabricar el La mejor bicicleta plegable del mercado.

No ha mirado atrás.

El concepto de plegado no es nuevo. El primer diseño plegable se basó en el interés militar en el uso de bicicletas para el transporte, que surgió alrededor de 1890, y en 1941 la Oficina de Guerra Británica solicitó ofertas para una bicicleta plegable que se entregaría en paracaídas. Ya entonces el mercado de las bicicletas plegables se estaba especializando.

En estos días, los fabricantes utilizan varias estrategias de plegado. Un concepto, el medio pliegue, utiliza un cuadro que se pliega por la mitad horizontalmente de modo que la parte delantera de la bicicleta se balancea casi 180 grados; cuando está plegado, las ruedas delanteras y traseras se sientan una al lado de la otra. Es probable que así se plegaran los primeros ciclos de plegado. Otro enfoque utiliza el plegado vertical, que es más complejo. La sección delantera se pliega hacia abajo, hacia atrás, y la sección trasera se pliega hacia abajo hacia adelante, lo que da como resultado un perfil más compacto que el que tienen muchas bicicletas plegadas a la mitad. Otros diseños usan variaciones sobre estos temas (para una discusión detallada, consulte www.foldingcyclist.com).

Si bien nadie esperaría que una bicicleta plegable fuera el equivalente a una bicicleta estándar, los diseños plegables siempre han buscado minimizar las diferencias. Algunos fabricantes utilizan ruedas pequeñas para lograr un tamaño plegado compacto, sacrificando algo de estabilidad y comodidad de conducción. Algunas usan bisagras robustas y componentes de alta resistencia, lo que las convierte en bicicletas sólidas y robustas que son un poco más pesadas que sus contrapartes no plegables.

Otra preocupación es la seguridad. Una bicicleta plegable está hecha para plegarse, por lo que si las abrazaderas no están seguras, podría plegarse en el momento equivocado.

Figura 1Además de su tamaño compacto, el modelo 430 Beam Director tiene algunas características patentadas que mejoran la producción, incluidos varios niveles de protección contra choques, mapeo de superficies de piezas, Automatic Focus Control™, un monitor de proceso CCTV y adquisición de datos de control estadístico de procesos.

El tamaño es otro punto. Una bicicleta hecha para el mercado juvenil no es tan grande como una bicicleta para adultos, por lo que una carpeta para el mercado juvenil puede ser extremadamente compacta cuando está plegada. Una bicicleta para adultos tiene un marco grande y ruedas grandes, por lo que desarrollar una carpeta de tamaño adulto que se colapse a un tamaño conveniente para transportarla o guardarla es un gran desafío.

Como estudiante universitario en la década de 1990, Boutakis se matriculó en un programa de informática, pero no era exactamente lo que estaba buscando. Buscó un plan de estudios diferente y, después de inscribirse en algunos cursos de programación CNC, se dio cuenta de que había encontrado su nicho. Ese nicho era la fabricación.

Compró un pequeño molino de cuatro ejes y construyó un taller pequeño pero capaz, equipándolo con un torno, equipo de soldadura por arco de metal con gas y equipo de soldadura por arco de tungsteno con gas, un par de sierras y una variedad de herramientas manuales. Trabajó como maquinista, soldador y fabricante durante aproximadamente una década, acumulando una gran experiencia en el camino.

"Proporcionó una base sólida en tres áreas principales: mecanizado, soldadura y fabricación", dijo Boutakis.

No abandonó la informática por completo. De hecho, esta experiencia lo ayudó en otro esfuerzo, en el que trabajó como autónomo desarrollando aplicaciones basadas en web para una variedad de clientes. Esto proporcionó algunos ingresos adicionales que aumentaron su trabajo en la tienda.

Hacer malabares con estas dos vocaciones no fue suficiente. Un entusiasta del ciclismo y un emprendedor de corazón, pensó mucho en las bicicletas plegables en el mercado y pensó que podía desarrollar una mejor manera de hacer una. El objetivo de Boutakis era reducir los compromisos en una bicicleta plegable mediante el desarrollo de una que fuera más segura, más fácil de usar, más liviana y más compacta cuando estuviera plegada que cualquier otra plegable del mercado.

Primero, el tamaño. Los modelos Helix se pliegan al tamaño de las ruedas, aproximadamente, que tienen unas 24 pulgadas de diámetro, dependiendo del neumático. El tamaño de la hélice plegada, 23 x 26 x 9,5 pulgadas, se logra mediante un diseño que utiliza un concepto de plegado de lado a lado. Coloca las ruedas al lado del marco y entre las bielas, lo que la compañía afirma que es el uso más eficiente del espacio.

La segunda es la seguridad. Según Boutakis, los mecanismos de bloqueo de la mayoría de las bicicletas plegables son motivo de preocupación por tres motivos. En primer lugar, requieren mantenimiento programado y observación de rutina para asegurarse de que funcionan correctamente. En segundo lugar, se sujetan en un solo punto de la circunferencia del tubo, por lo que generalmente permiten un poco de juego. En tercer lugar, la combinación de juego y tensiones elevadas en la soldadura puede provocar la falla de la abrazadera.

Helix utiliza mecanismos de bloqueo con resorte patentados y pendientes de patente que pasan a través de la horquilla y los tubos de dirección, que Boutakis dice que es un dispositivo de bloqueo más seguro que muchos de los otros en el mercado. Están diseñados para desarrollar una fuerza sustancial, optimizando la tensión de sujeción, que en realidad aumenta bajo el estrés de la conducción. Las abrazaderas también distribuyen la fuerza de sujeción sobre un área de superficie mucho más grande para que no haya picos de tensión, lo que hace que sea mucho menos probable que fallen catastróficamente. Se expanden en todas las direcciones, creando una rigidez a lo largo de 360 ​​grados, lo que elimina el juego. Además, el diseño de Helix utiliza una protección integrada: el diseño utiliza un tubo dentro de un tubo, por lo que si el actuador de resorte falla durante un viaje, la bicicleta no se pliega.

El tercero es la facilidad de uso, que se refiere al concepto de plegado de lado a lado y las bisagras helicoidales pendientes de patente. Permiten al ciclista plegar los tres elementos (rueda trasera, rueda delantera y manillar) en cualquier orden. No es necesario memorizar el orden para guardarlo.

Figura 2 Helix Labs utiliza su sistema 430BD con mesa giratoria adicional para montar el tubo horizontalmente. La mesa giratoria cuenta con un mandril de orificio pasante para ubicar los tubos de titanio con precisión y sujetarlos firmemente para ubicar los biseles, orificios y ranuras con precisión.

El cuarto es el peso de la bicicleta. La empresa utiliza titanio de grado 9 (3Al, 2,5 V), trabajado en frío y destensado, para los componentes del cuadro. La aleación preferida de la era espacial, el titanio es fundamental para ayudar a los ingenieros aeroespaciales a desarrollar aeronaves y naves espaciales avanzadas que puedan resistir las tensiones de los despegues, aterrizajes y lanzamientos. Intrínsecamente robusto, liviano y resistente a la corrosión, estas características lo hacen ideal también para construir bicicletas.

Boutakis sabía desde el principio que montar cuadros de bicicleta hechos de titanio no sería nada fácil. No es un material poco común, pero, de nuevo, no todo el mundo está bien versado en la fabricación de este material de nicho relativamente caro. Algunas investigaciones por su parte y la asistencia de otros en la industria ayudaron a Boutakis a acumular suficiente conocimiento sobre el titanio para desarrollar un proceso de fabricación confiable y consistente.

Soldándolo. La soldadura de titanio necesita una atmósfera inerte y el proceso se basa en un estricto protocolo de purga y posterior a la soldadura. Para una bicicleta, el uso de presas de purga para proteger el diámetro interior (ID) y copas de soldadura para la cobertura de gas en el diámetro exterior agregaría desafíos significativos al proceso de soldadura. Los pequeños espacios libres y las superficies curvas, especialmente donde se juntan dos superficies curvas, que es la esencia de hacer un cuadro de bicicleta, agravan los desafíos para hacer soldaduras sólidas.

Finalmente, Boutakis decidió que la soldadura se realizaría de forma robótica. Favorecidas por la consistencia del proceso y un ritmo constante, las unidades de soldadura robótica trabajan meticulosamente, de una soldadura a la siguiente, durante todo el día. Los soldadores humanos tienen ligeras diferencias en la técnica y son propensos a la fatiga, las distracciones y otros factores que pueden introducir inconsistencias. Esto no significa que sus soldaduras sean de calidad inferior al estándar, pero son propensos a variaciones en sus características, lo que significa que la resistencia de la soldadura puede variar, mientras que un robot es inmune a esta dinámica.

Sin embargo, la integración de un robot puede poner a prueba la paciencia incluso de un fabricante veterano.

"No pude encontrar la linterna adecuada", dijo Boutakis. "El problema es que las uniones no brindan mucho espacio libre. Esta es básicamente una aplicación micro-TIG, que trabaja en un área muy pequeña, y solo unas pocas antorchas de este tipo están disponibles para robots". Siempre inventor, terminó desarrollando su propia antorcha, una con un alimentador de alambre, para su aplicación.

Para sortear el tiempo y las molestias que implica proteger el área de soldadura del oxígeno, Boutakis creó una gran cámara de purga, una que alberga el robot y los accesorios personalizados necesarios para la tubería.

"Básicamente es una guantera realmente grande", dijo. Está equipado con un sistema de esclusa de aire para que pueda ingresar materias primas y sacar marcos terminados sin contaminar la atmósfera.

"Estoy seguro de que es el único de su tipo en la industria de la bicicleta", dijo.

Cortándolo. El gran inconveniente de usar un robot de soldadura es que no puede autoajustarse para compensar las variaciones en la preparación de la soldadura. Cuando un bisel está ligeramente desviado o un espacio no es del todo correcto (demasiado ancho, demasiado angosto o inconsistente), un robot avanza, soldando de acuerdo con sus instrucciones programadas. Una unidad de soldadura robótica hace que cada unión se base en una situación ideal, incapaz de realizar ningún cambio en su rutina para una instalación menos que ideal.

figura 3 Los componentes de bicicleta Helix requieren muchos cortes sofisticados, incluida una variedad de ángulos de bisel pronunciados. El personal de ingeniería de Prima Power Laserdyne entregó una máquina de corte por láser de fibra y divulgó su experiencia en el corte de titanio, de modo que el proceso de corte proporcione un acabado de borde que permita que las piezas se acoplen perfectamente sin desbarbar.

Esto significaba que Boutakis tenía que tomar una decisión más, quizás la más crítica de toda la operación. Necesitaba una consistencia sólida como una roca en la longitud de corte y los ángulos de bisel, y el proceso tenía que ser rápido. El sistema tendría que hacer cortes en bisel bastante pronunciados, hasta 45 grados, y Boutakis quería un sistema que dejara bordes limpios que no requirieran un desbarbado posterior. Los tubos pasarían del corte a la soldadura sin ningún paso intermedio, como el manejo de materiales y el desbarbado, lo que requeriría más equipo, más tiempo de procesamiento y más espacio en el piso.

El corte por láser era una opción, pero con una salvedad.

"Los láseres hacen salpicaduras", dijo Boutakis. No sabía cómo solucionaría ese problema, pero al final, no necesitaba hacerlo. Al sopesar varias opciones, encontró un láser que pensó que sería adecuado para su empresa. Esa máquina es el modelo 430 Beam Director®, una unidad de láser de fibra fabricada por Prima Power Laserdyne.

Equipado con una mesa de trabajo masiva para montar accesorios de sujeción personalizados, proporciona la estabilidad necesaria para aplicaciones que necesitan tolerancias dimensionales estrictas, como la industria aeroespacial, médica y electrónica. Los ejes X, Y y Z alcanzan una tolerancia parcial de ±12,5 µm.

Equipada con la tercera generación del Beam Director de la compañía, que proporciona dos ejes de movimiento de rayo láser sin movimiento de piezas, la máquina es capaz de cortar y soldar. La máquina manipula la posición de la pieza con seis ejes de control y, aunque es lo suficientemente pequeña como para ser adecuada para la creación de prototipos, el acceso desde el frente y desde ambos lados también la hace útil para la producción (verFigura 1).

Los ingenieros de Prima trajeron más que una máquina. Aportaron la voluntad de trabajar con Boutakis para desarrollar un proceso que se adaptara a sus necesidades. Una característica clave del sistema es una mesa giratoria montada horizontalmente con un mandril pasante que sostiene los tubos firmemente para que los biseles, los orificios y las ranuras se ubiquen con precisión (verFigura 2).

También aportaron experiencia en titanio a la mesa. El problema de las salpicaduras y la escoria ya se había resuelto (ver Figura 3). Boutakis se alegró de saber que se trataba simplemente de aplicar un spray de nitruro de boro en el DI del tubo y luego insertar un mandril de sacrificio.

¿Es este el sistema que utiliza? Bueno, por supuesto que no. Boutakis es un innovador.

"Descubrí que rociar la identificación era tedioso, así que desarrollé mi propia variación de la práctica", dijo.

Aunque las carpetas no son para todos, el diseño Helix puede adaptarse a casi cualquier ciclista. El diseño es lo suficientemente versátil como para adaptarse a ciclistas de 5 pies a 6 pies 4 pulgadas.

La tija del sillín tiene un retroceso de 20 milímetros que se puede invertir para lograr una posición adelantada de 20 mm, y la potencia del manillar también es ajustable. Se eleva 20 mm y se puede voltear para que baje 20 mm. Si alguno de estos ajustes no es suficiente, los componentes clave (vástago, tija del sillín, manubrio y bielas) se pueden reemplazar con componentes estándar de otras dimensiones.

Viene con varias opciones de engranajes para varios estilos de conducción: una sola velocidad, desviador de 10 velocidades o un buje de engranaje interno de 11 velocidades.

Incluso se adapta a una variedad de niveles de entusiasmo. Algunos ciclistas ultraserios necesitan bicicletas que se puedan guardar en un avión para poder viajar a un lugar lejano con buenos senderos o una competencia interesante. Esta es una carpeta para este calibre de ciclista, porque es lo suficientemente pequeña como para caber en una maleta.

Helix Labs Inc., www.helix.ca

Prima Power Laserdyne, www.primapowerlaserdyne.com