Un fabricante de bicicletas plegables utiliza el corte por láser para los componentes del cuadro de titanio

Aunque las bicicletas plegables se idearon 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 plegable 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 alguna vez haya ideado un nuevo producto sabe, o aprende, que es sólo cuestión de tiempo antes de que aparezca un producto similar y desafíe al actual. Incluso algo tan simple como un martillo está disponible en muchos tamaños y estilos: garra, trineo, bola, etc.

Lo mismo ocurre con la bicicleta. La primera versión, desarrollada en 1817, era un artilugio simple sin pedales, ruedas dentadas ni cadena. Llamada Laufmaschine (literalmente, máquina de correr) por su inventor, Karl Drais, era propulsada 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, inicialmente comercializado como bicicleta de seguridad. Equipado con dos ruedas del mismo tamaño, impulsados ​​por pedales montados en ruedas dentadas y accionados 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, así es. Los ciclistas de hoy pueden elegir bicicletas para deporte o ocio en varios estilos: montaña, carretera, híbridas, cruiser, reclinadas, tándem, eléctricas y plegables.

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

Este nicho de mercado destaca por los desafíos de ingeniería y fabricación. Diseñar una bicicleta que se pueda plegar no es tarea fácil; diseñar uno que se pliegue y se mueva bien es aún más difícil. Se trata de equilibrar tres limitaciones: la manejabilidad, el peso y el tamaño 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 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 mediante paracaídas. Ya entonces el mercado de las bicicletas plegables se estaba especializando.

Hoy en día, los fabricantes utilizan varias estrategias de plegado. Un concepto, el plegado por la mitad, utiliza un cuadro que se pliega por la mitad horizontalmente de modo que la parte delantera de la bicicleta oscila casi 180 grados; cuando están plegadas, las ruedas delanteras y traseras se colocan una al lado de la otra. Probablemente así es como se plegaron 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 plegables por la mitad. Otros diseños utilizan variaciones de estos temas (para una discusión detallada, consulte www.foldingcyclist.com).

Si bien nadie esperaría que una bicicleta plegable fuera 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 utilizan bisagras robustas y componentes resistentes, lo que hace que una bicicleta resistente y robusta sea un poco más pesada 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, es posible que se pliegue 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 procesos CCTV y adquisición de datos de control de procesos estadísticos.

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 cuadro grande y ruedas grandes, por lo que desarrollar una carpeta de tamaño adulto que se pliegue 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 buscaba. 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 metálico 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 a lo largo del camino.

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

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

Hacer malabarismos con estas dos vocaciones no fue suficiente. Entusiasta del ciclismo y emprendedor de corazón, pensó mucho en las bicicletas plegables que había en el mercado y pensó que podría desarrollar una mejor manera de fabricar una. El objetivo de Boutakis era reducir los compromisos en una bicicleta plegable desarrollando una que fuera más segura, más fácil de usar, más liviana y más compacta una vez plegada que cualquier plegadora del mercado.

Primero, el tamaño. Los modelos Helix se pliegan hasta alcanzar el tamaño de las ruedas, aproximadamente, que tienen unas 24 pulgadas de diámetro, dependiendo del neumático. El tamaño de Helix plegado, 23 por 26 por 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, según la compañía, es el uso más eficiente del espacio.

En segundo lugar está la seguridad. Según Boutakis, los mecanismos de bloqueo de la mayoría de las bicicletas plegables son motivo de preocupación por tres razones. En primer lugar, requieren un mantenimiento programado y una observación de rutina para garantizar que funcionen correctamente. En segundo lugar, se sujetan en un único punto de la circunferencia del tubo, por lo que normalmente dejan un poco de juego. En tercer lugar, la combinación de juego y tensiones elevadas en la soldadura puede provocar fallos en la sujeción.

Helix utiliza mecanismos de bloqueo con resorte patentados, pendientes de patente, que pasan a través de la horquilla y los tubos de dirección, lo que, según Boutakis, 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 una superficie mucho mayor para que no haya picos de tensión, lo que hace que sea mucho menos probable que fallen catastróficamente. Se expanden en todas direcciones, creando una rigidez en 360 grados, lo que elimina el juego. Además, el diseño Helix utiliza una protección incorporada: el diseño utiliza un tubo dentro de un tubo, por lo que si el actuador del resorte falla durante un paseo, la bicicleta no se pliega.

En tercer lugar está la facilidad de uso, que se refiere al concepto de plegado de lado a lado y a 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 pasante para ubicar los tubos de titanio con precisión y sujetarlos firmemente para ubicar los biseles, orificios y ranuras con precisión.

En cuarto lugar está el peso de la bicicleta. La empresa utiliza titanio de grado 9 (3Al, 2,5 V), trabajado en frío y sin tensiones, para los componentes del cuadro. El titanio, la querida aleación de la era espacial, es fundamental para ayudar a los ingenieros aeroespaciales a desarrollar aviones y naves espaciales avanzados que puedan soportar las tensiones de los despegues, aterrizajes y lanzamientos. Estas características, inherentemente robustas, livianas y resistentes a la corrosión, lo hacen también muy adecuado para la construcción de bicicletas.

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

Soldarlo. Soldar titanio necesita una atmósfera inerte y el proceso se basa en un estricto protocolo de purga y possoldadura. Para una bicicleta, usar presas de purga para proteger el diámetro interior (DI) y copas de soldadura para cubrir el gas en el diámetro exterior agregaría desafíos importantes al proceso de soldadura. Los espacios pequeños y las superficies curvas, especialmente donde se encuentran dos superficies curvas, que es la esencia de la fabricación de un cuadro de bicicleta, agravan los desafíos a la hora de realizar soldaduras robustas.

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 robóticas 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, pero son propensas a variaciones en sus características, lo que significa que la resistencia de la soldadura puede variar, mientras que un robot es inmune a estas dinámicas.

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

"No pude encontrar la antorcha adecuada", dijo Boutakis. “El problema es que las juntas no proporcionan mucho espacio libre. Se trata básicamente de una aplicación micro-TIG, que funciona en un área muy pequeña, y sólo unas pocas antorchas de este tipo están disponibles para robots”. Siempre inventor, acabó desarrollando su propia antorcha, una con un alimentador de alambre, para su aplicación.

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

"Es básicamente una guantera muy grande", dijo. Está equipado con un sistema de esclusa de aire para que pueda introducir 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.

Cortarlo. El gran inconveniente de utilizar 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 estrecho o inconsistente), un robot avanza pesadamente, soldando de acuerdo con sus instrucciones programadas. Una unidad de soldadura robótica realiza cada unión basándose en una situación ideal, sin poder realizar ningún cambio en su rutina para un ajuste menos que ideal.

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

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

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

"Los láseres producen salpicaduras", dijo Boutakis. No sabía cómo solucionar ese problema, pero al final no lo necesitaba. 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 láser de fibra fabricada por Prima Power Laserdyne.

Equipado con una enorme mesa de trabajo para montar accesorios de sujeción personalizados, proporciona la estabilidad necesaria para aplicaciones que necesitan tolerancias dimensionales estrictas, como las aeroespaciales, médicas y electrónicas. Los ejes X, Y y Z alcanzan una tolerancia parcial de ±12,5 µm.

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

Los ingenieros de Prima trajeron más que una máquina. Aportaron su 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 de orificio pasante que sujeta los tubos firmemente para que los biseles, orificios y ranuras se ubiquen con precisión (consulteFigura 2).

También aportaron su experiencia en titanio. El problema de las salpicaduras y la escoria ya se había resuelto (ver Figura 3). Boutakis se alegró al saber que era simplemente cuestión de aplicar un aerosol de nitruro de boro al diámetro interior 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 acomodar 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 (potencia, tija del sillín, manillar y bielas) se pueden reemplazar con componentes disponibles en el mercado de otras dimensiones.

Viene con varias opciones de marchas para distintos estilos de conducción: una sola velocidad, un 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 muy serios necesitan bicicletas que puedan guardarse 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