Cómo la optimización de topología y la impresión 3D desbloquean nuevas oportunidades de diseño

Hoy en día, la fabricación aditiva (AM) ofrece posibilidades sin precedentes para el diseño y producción de piezas funcionales. Sin embargo, para aprovechar al máximo la complejidad del diseño que ofrece la tecnología, se necesita software de diseño, como la optimización de la topología.

La optimización de la topología hace posible la producción de piezas más resistentes y ligeras. El artículo de hoy explorará cómo la optimización de la topología, junto con la impresión 3D, puede ayudar a los ingenieros a reinventar su enfoque para diseñar y producir piezas.

¿Qué es la optimización de topología?

La optimización de topología es una técnica de diseño generativo que optimiza la geometría de un objeto mediante cálculos matemáticos.

El proceso de optimización de la forma de la pieza comienza definiendo el "espacio de diseño" que representa el volumen máximo que puede ocupar una pieza. Luego, el software analiza la forma en función de varios requisitos, como carga, deformación, restricciones de rigidez y condiciones de contorno.

Esto permite que el software identifique áreas donde se puede eliminar el material sin sacrificar la función o el rendimiento de la pieza.

De esta manera, la optimización de la topología ayuda a crear la mejor estructura posible de una pieza determinada.

Los beneficios de la optimización de la topología

Un proceso de diseño más rápido

El software de optimización de topología ayuda a acelerar el proceso de desarrollo y diseño de la pieza al iterar automáticamente el diseño hasta que crea una geometría optimizada.

Al tener en cuenta los requisitos de rendimiento en el diseño desde el principio y automatizar el proceso de generación del diseño, es posible crear un diseño innovador mucho más rápido y, en última instancia, acelerar el ciclo de diseño.

Piezas más ligeras y resistentes

Quizás la mayor ventaja de utilizar la optimización de topología es la capacidad de mejorar el rendimiento de la pieza reduciendo su peso y optimizando su resistencia.

Al agregar o quitar el material en lugares, definidos por un conjunto de parámetros, las herramientas de optimización de topología permiten a los ingenieros explorar infinitas opciones de diseño y encontrar lo mejor posible una estructura liviana pero resistente de una pieza determinada .

Muchas industrias buscan piezas más ligeras. En la industria aeroespacial, por ejemplo, los componentes livianos pueden reducir significativamente el consumo de combustible de la aeronave, mientras que en los deportes de motor pueden mejorar radicalmente el rendimiento de los autos de carrera.

Además, cuanto más liviana es la pieza, menos material se ha utilizado para producirla. , lo que reduce los costos de fabricación.

Combinando optimización de topología e impresión 3D

Los enfoques de fabricación tradicionales a menudo tienen una capacidad limitada para producir diseños optimizados topológicamente. Dichos diseños a menudo presentan formas complejas, que generalmente son imposibles o tienen un costo prohibitivo de producir mediante mecanizado o moldeo por inyección.

La impresión 3D, por otro lado, es capaz de producir formas intrincadas sin el costo adicional de complejidad. Esto hace que la impresión 3D sea la mejor tecnología para aprovechar al máximo los diseños optimizados topológicamente.

Optimización de topología en la práctica

El uso combinado de optimización topológica e impresión 3D se puede encontrar en industrias como la automotriz, aeroespacial y médica.

Aeroespacial

Aerospace es uno de los principales en adoptar diseños topológicamente optimizados, gracias a los beneficios de crear piezas livianas, estructuras de soporte reducidas y resistencia preservada de las piezas producidas.

Los componentes optimizados y fabricados de forma aditiva demuestran ser muy valiosos para reducir los costos de lanzamiento de satélites y vehículos espaciales.

Un buen ejemplo es el del fabricante de aeroestructuras STELIA Aerospace, que ha utilizado la optimización de topología para producir paneles de fuselaje de aviones.

Gracias a la optimización de la topología, los diseñadores e ingenieros de STELIA han podido crear paneles de fuselaje de aviones más resistentes, con mayor estabilidad. También hay un beneficio ecológico adicional, con el diseño de topología optimizada que conduce a menos desperdicio de material.

Médico

Otra industria que se beneficia de la optimización topológica es la médica. Las estructuras funcionalmente optimizadas abren nuevas oportunidades para la producción de implantes que imitan la rigidez y densidad ósea de un paciente.

En un ejemplo reciente de esto, la empresa de TI Altair combinó la impresión 3D y el software de optimización de topología para crear un implante de vástago de cadera mejorado.

Al ingresar parámetros como el tamaño, el peso y la carga esperada que soportaría el implante, se utilizó un software de optimización de topología para crear un nuevo diseño para un implante de cadera. El diseño optimizado distribuye el estrés y la deformación de una manera más eficiente que un implante genérico.

Además, el software de optimización de topología ayudó a determinar dónde se podría reemplazar el material con estructuras de celosía para hacer el implante más liviano.

Cuando se probó, el implante optimizado ofreció un límite de resistencia aumentado a aproximadamente 10 millones de ciclos. Esto significa que el implante de cadera podría soportar el trote de Los Ángeles a Nueva York y viceversa, dos veces.

Automotriz

En 2018, BMW lanzó su icónico automóvil i8 Roadster, con un galardonado soporte de techo de metal impreso en 3D.

El soporte del techo, un pequeño componente que ayuda a plegar y desplegar la parte superior del automóvil, requirió un nuevo diseño para maximizar el rendimiento del mecanismo de plegado del techo. Para lograr este objetivo, los ingenieros de BMW combinaron la impresión 3D con un software de optimización de topología.

Al usar el software, los ingenieros pudieron ingresar parámetros como el peso, el tamaño del componente y la carga que tomará. Luego, el software generó un diseño que optimizó la distribución del material de la pieza.

El diseño logrado por el equipo de ingeniería fue imposible de fundir. El equipo descubrió que la única forma de hacer posible este diseño era mediante la impresión 3D de metal.

Gracias a la tecnología Selective Laser Melting (SLM), los ingenieros crearon un soporte de techo de metal que es 10 veces más rígido y un 44% más ligero que la alternativa convencional.

Ejemplos de software de optimización de topología para impresión 3D

Muchas empresas de TI que ofrecen software de diseño y simulación para impresión 3D también están desarrollando soluciones de diseño con capacidades de optimización de topología. En esta sección, veremos algunas de las ofertas prometedoras en optimización de topología para impresión 3D.

Altair Inspire

Altair es una empresa de tecnología global que ofrece software y soluciones en la nube en las áreas de desarrollo de productos, informática de alto rendimiento y análisis de datos.

Qué puede hacer

Altair Inspire ofrece una serie de opciones de topología que incluyen objetivos de optimización, restricciones de tensión y desplazamiento, aceleración, gravedad y condiciones de carga de temperatura.

El software de optimización de topología también observa las limitaciones del proceso de fabricación. Por ejemplo, permite el diseño de AM con controles de forma de voladizo para ayudar a reducir los voladizos para crear estructuras más autoportantes.

Ansys Mechanical

ANSYS es un proveedor de software de simulación y herramientas de diseño para ingeniería mecánica. ANSYS proporciona a los diseñadores una herramienta de optimización de topología automatizada integrada con su conjunto completo de software multifísico.

Qué puede hacer

La optimización de la topología en Ansys Mechanical le permite tener en cuenta múltiples cargas estáticas combinadas con la optimización de frecuencias naturales (análisis modal), así como satisfacer los requisitos de espesor mínimo del material. Además de eso, el software está diseñado para validar fácilmente los resultados de optimización, acelerando el proceso de diseño.

ParaMatters CogniCAD

El campo del diseño y el software CAD también contiene un puñado de nuevas empresas que esperan transformar el mercado. ParaMatters, fundada en 2016, ha desarrollado un software de diseño generativo, CogniCAD.

Qué puede hacer

Según se informa, CogniCAD ofrece un flujo de trabajo altamente automatizado basado en optimización de topología desarrollada internamente, análisis de elementos finitos de alta resolución y geometría computacional.

Proporciona una variedad de condiciones de carga, objetivos de diseño y limitaciones que ayuden a garantizar que el diseño sea adecuado para la impresión 3D.

nTopology nTop Platform

Fundada en 2015, nTopology ofrece software de diseño. En mayo pasado, la compañía lanzó su software de diseño, Element, que proporciona herramientas de análisis, aligeramiento y optimización del diseño.

Qué puede hacer

En términos de herramienta de optimización de topología, la plataforma nTop permite a los usuarios aplicar múltiples condiciones de carga y optimizar para una variedad de criterios de rendimiento que incluyen estrés, desplazamiento y rigidez.

Una vez que se ha optimizado el diseño, la herramienta permite la conversión automatizada de resultados de optimización de topología en geometría editable. Según la empresa, esto puede ahorrarle tiempo y esfuerzo al proporcionar un proceso rápido y repetible sin la necesidad de una reconstrucción geométrica manual.

Optimización de topología:un nuevo enfoque de diseño

El software de optimización de topología para AM ha experimentado un progreso notable en los últimos años. Tanto las grandes empresas de software como las nuevas empresas están desarrollando soluciones avanzadas para ampliar los límites del diseño para la impresión 3D.

Gracias a estos avances, las empresas dentro de una variedad de industrias ahora pueden aprovechar una mayor libertad de diseño, ciclos de diseño más rápidos y un rendimiento mejorado de las piezas.

Avanzando hacia el futuro, las capacidades del software de optimización de topología para AM continuarán evolucionando, abriendo nuevas y poderosas posibilidades.