Diseño generativo e impresión 3D:la fabricación del mañana

El diseño generativo es una herramienta de software que permite a los ingenieros y diseñadores abordar los problemas de diseño de formas más innovadoras y eficientes. Los algoritmos de diseño generativo exploran todas las posibles soluciones de diseño definiendo objetivos y restricciones, ofreciendo a los ingenieros numerosas opciones para explorar .

Aunque todavía está en su infancia, el diseño generativo ha mostrado un potencial notable para aplicaciones industriales, particularmente cuando se combina con la impresión 3D. Juntos, el diseño generativo y la impresión 3D pueden lograr una mayor flexibilidad de diseño, al tiempo que crean piezas más ligeras y resistentes.

Hoy, analizaremos los beneficios y desafíos actuales del uso del diseño generativo, particularmente cuando se combina con la impresión 3D. También exploraremos algunos de los software de diseño generativo más populares utilizados con la impresión 3D y veremos las empresas que aprovechan la tecnología de diseño generativo para impulsar la innovación.

¿Qué es el diseño generativo?

El diseño generativo es una tecnología relativamente nueva. Como ocurre con cualquier tecnología nueva, sigue existiendo una falta de consenso en la industria en torno a su definición. A pesar de esto, parece haber dos formas principales de considerar el diseño generativo:como un término amplio que abarca la optimización de topología o como una tecnología completamente distinta.

Una visión común del diseño generativo lo describe como una tecnología que hace uso de una potente computación para ayudar en el proceso de diseño.

A continuación, se muestra paso a paso cómo funciona el diseño generativo:

1. Establecer parámetros

El diseñador especifica y establece los parámetros para el diseño de la pieza, basándose en parámetros como peso, material, tamaño, costo, resistencia y métodos de fabricación.

2. Generar diseños

El software de diseño generativo utiliza algoritmos para explorar y generar miles de opciones de diseño. En esta etapa, el software también puede utilizar algoritmos impulsados ​​por IA para analizar cada diseño y establecer los diseños más eficientes.

3. Selecciona las mejores opciones
El diseñador puede entonces estudiar estos diseños y seleccionar los resultados que mejor cumplan con el objetivo del diseño.

Para determinar la geometría del diseño, los algoritmos de diseño generativo pueden usar una variedad de enfoques diferentes, tales como como optimización de topología, biomimetismo y morfogénesis.

La principal diferencia entre estos enfoques es que los algoritmos de optimización de topología generalmente comienzan con un diseño preexistente y eliminan el material para reducir el peso de la pieza.

La biomimetismo y la morfogénesis, por el contrario, imitan el enfoque evolutivo de la naturaleza para el diseño, como el crecimiento de raíces y ramas en los árboles, o la evolución de las estructuras óseas, utilizando esto para generar opciones de diseño.

Los beneficios del diseño generativo

Cuando se utiliza con la impresión 3D, los beneficios se pueden ampliar aún más para incluir una reducción de los costes de fabricación y una mayor productividad. Identificamos tres ventajas principales:

1. Opciones de diseño innovadoras

El software de diseño generativo puede producir geometrías que van más allá de lo que los humanos pueden concebir, mejorando así las capacidades humanas en el diseño de productos.

2. Aligeramiento

Las herramientas de diseño generativo brindan a los ingenieros los recursos para crear piezas livianas utilizando la mínima cantidad de material necesario, mientras se adhieren a los requisitos de ingeniería.

3. Consolidación de piezas

El diseño generativo puede proporcionar soluciones para consolidar subconjuntos en una sola pieza. La consolidación de piezas simplifica el proceso de ensamblaje, el mantenimiento y puede reducir los costos generales de fabricación.

¿Por qué el diseño generativo se adapta perfectamente a la impresión 3D?

El software de diseño generativo ayuda a conceptualizar piezas con formas orgánicas complejas. La impresión 3D, por otro lado, es quizás la tecnología ideal para dar vida a estas formas, ya que no solo es capaz de crear geometrías complejas sino que también lo hace de manera rentable. Con la fabricación tradicional, producir estas formas a menudo puede ser poco práctico, si no imposible, debido a los altos costos o las limitaciones de la tecnología.

Sin embargo, sería engañoso afirmar que el diseño generativo se limita a sólo fabricación aditiva, aunque en muchos casos la tecnología será el método de producción más óptimo. Con algunos paquetes de software de diseño generativo, puede especificar métodos de fabricación como mecanizado CNC, fundición o moldeo por inyección, además de AM.

Los desafíos del diseño generativo

Actualmente, el diseño generativo se encuentra en una etapa temprana de desarrollo, lo que significa que los primeros usuarios pueden encontrar ciertos desafíos.

# 1:Curva de aprendizaje

Por ejemplo, definir con precisión un problema de diseño en términos computables, que el software de diseño generativo tiene que resolver, implicará una curva de aprendizaje pronunciada. Los ingenieros sin experiencia en expresar el problema de diseño como un conjunto de parámetros pueden terminar con restricciones o cargas estructurales vagamente definidas, lo que finalmente resultará en un diseño fallido.

N.º 2:Brecha entre diseño y fabricación

Otro punto a considerar con el diseño generativo es que los diseños eficientes no siempre se pueden fabricar de manera eficiente. Por ejemplo, en un caso de estudio de Renishaw, los ingenieros optimizaron topológicamente una manivela de suspensión. Sin embargo, no tuvieron en cuenta la capacidad de fabricación de la pieza optimizada. Esto resultó en un diseño que requirió muchos soportes para ser impresos, mientras que una buena práctica es diseñar piezas con el menor número de soportes necesarios.

N.º 3:geometrías desafiantes

Además, los diseños creados con la ayuda de herramientas de diseño generativo pueden crear geometrías desafiantes incluso para la impresión 3D. Las características sobresalientes y las paredes delgadas son solo un par de ejemplos de esto. Sin embargo, las nuevas herramientas de diseño generativo brindan opciones que permiten al usuario especificar datos de fabricación adicionales como ángulos de voladizo y espesor mínimo de pared.

N.º 4:Recursos necesarios

Por último, los enfoques de diseño generativo pueden ser computacionalmente intensivos y requieren potentes capacidades informáticas del hardware. Sin embargo, cada vez más empresas ofrecen software de diseño generativo que aprovecha la computación en la nube, eliminando la necesidad de invertir en hardware costoso.

Soluciones de software de diseño generativo para impresión 3D

Si bien el mercado de software de diseño generativo es nuevo, ya hay varios paquetes de software disponibles para fabricación aditiva y sustractiva. En esta sección, veremos algunas de las ofertas más prometedoras en diseño generativo para impresión 3D.

Diseño generativo de Autodesk

Autodesk ha estado a la vanguardia del desarrollo de diseño generativo. En abril, la compañía lanzó su plataforma Autodesk Generative Design, incorporada a su software de desarrollo de productos Fusion 360 Ultimate basado en la nube.

Cómo funciona

La plataforma permite a los ingenieros definir parámetros de diseño como material, tamaño, peso, resistencia, métodos de fabricación y restricciones de costos. En particular, el software utiliza algoritmos basados ​​en inteligencia artificial, que ayudan a filtrar diseños válidos entre una variedad de opciones de diseño. El software también tiene en cuenta la capacidad de fabricación, lo que permite a los diseñadores seleccionar hasta diez materiales de fabricación aditiva diferentes para estudiar el diseño.

Frustum GENERATE

Frustum, una empresa joven fundada en 2014, busca convertirse en un actor importante en el campo del diseño generativo. La oferta de la empresa es su software GENERATE, un programa intuitivo para crear componentes con topología optimizada para fabricación aditiva, fresado y fundición. GENERATE es una plataforma basada en la nube, disponible en tres niveles:gratuito, profesional y empresarial.

Cómo funciona

En GENERAR, el usuario asigna valores particulares de carga y restricción a las caras de una pieza. El programa, impulsado por el motor de diseño generativo TrueSOLIDⓇ de Frustum, genera un mapa de análisis de elementos finitos (FEA) de concentraciones de tensión. Con este mapa, los usuarios pueden realizar modificaciones en la geometría de la pieza, particularmente para reducir la cantidad de material innecesario en su estructura. El modelo se puede guardar en formato STL y está listo para ser impreso en 3D.

El año pasado, Frustum anunció una asociación con Siemens, y actualmente, la tecnología tiene licencia comercial para el software Siemens PLM y está integrada en Siemens NX y Siemens SolidEdge.

Escritorio Metal's Live Parts ™

El grupo de investigación DM Lab de Desktop Metal, un fabricante estadounidense de sistemas de AM de metal, ha anunciado recientemente su tecnología experimental llamada Live Parts ™.

Cómo funciona

La plataforma de diseño generativo Live Parts ™ utiliza algoritmos inspirados en la naturaleza que hacen que las piezas "crezcan" en función de un conjunto de parámetros predeterminados, como el tamaño, el propósito y el peso. El programa crea un diseño desarrollándolo desde una celda de semilla hasta una estructura optimizada, que es fuerte, liviana y resistente a la fatiga. El proceso de "hacer crecer" una pieza suele tardar entre 5 y 5 minutos, según el tamaño del modelo.

Diseño generativo en la práctica

Aunque los productos diseñados generativamente están lejos de convertirse en la corriente principal, encierran una gran promesa para industrias de alto valor como la aeroespacial, automotriz y médica. Para ser las primeras en aprovechar los beneficios de los productos diseñados generativamente y fabricados de forma aditiva, algunas empresas de estas industrias ya han comenzado a investigar la combinación de ambos.

Automotriz

Por ejemplo, con impresión 3D y diseño generativo, Bugatti Automobiles ha innovado el sistema de control de ala real para el súper deportivo Chiron de 1.500 PS en un proyecto de prueba del software de diseño generativo de Siemens.

Con la plataforma Siemens NX, el fabricante de automóviles pudo optimizar el peso del conjunto, que luego se imprimió en 3D en titanio y fibra de carbono. Este enfoque condujo a una reducción de peso de más del 50%.

General Motors es otro fabricante de automóviles que explora las posibilidades del diseño generativo y la impresión 3D para sus productos futuros mediante el uso del software de diseño generativo Autodesk.

“En GM, vemos un gran potencial para el diseño generativo combinado con procesos de fabricación aditiva para permitir diseños de piezas que sean livianos con los criterios de rendimiento que esperamos”, dice Kevin Quinn, director de fabricación aditiva de General Motors.

Por ahora, GM no imprime en 3D piezas diseñadas generativamente para producción, sino que se centra en la prueba de concepto. Por ejemplo, en un proyecto inicial, GM utilizó el software de Autodesk para producir más de 150 opciones de diseño de un soporte de asiento. Estos eran un 40% más ligeros y un 20% más resistentes que el soporte que se utiliza actualmente. La compañía también pudo consolidar los ocho componentes diferentes del soporte en una sola pieza impresa en 3D.

Sin embargo, una compañía automotriz ha logrado un hito con una pieza impresa en 3D diseñada generativamente y producida en masa. BMW mostró recientemente su galardonado soporte de techo para BMW i8 roadster. Los ingenieros de BMW utilizaron la optimización de la topología para minimizar la cantidad de material requerido en la pieza y luego imprimieron en 3D la pieza en titanio. La optimización de la topología no solo condujo a una reducción de peso del 44%, sino que también creó un diseño que no requirió estructuras de soporte durante el proceso de impresión 3D.

Médico .

En el sector médico, el diseño generativo se puede utilizar para crear implantes que reproduzcan la naturaleza porosa del hueso humano. NuVasive, una empresa médica con sede en EE. UU., Utiliza su software de optimización de diseño patentado para crear implantes de titanio. El software permite diseños livianos, asimétricos y enrejados, que solo son posibles con la fabricación aditiva.

De cara al futuro:el futuro del diseño generativo

Los ejemplos de diseño generativo que se utilizan en todas las industrias son cada vez más comunes, ya que la tecnología se integra cada vez más en los flujos de trabajo de diseño de productos. Si bien sigue siendo una tecnología relativamente nueva, ya ofrece a los ingenieros una forma completamente nueva de ver el diseño de productos.

Si bien la inteligencia artificial y el aprendizaje automático han sido responsables de gran parte del progreso reciente en la tecnología de diseño generativo, la fabricación aditiva también ha jugado un papel clave en impulsar la adopción de software de diseño generativo. Con más avances en aprendizaje automático, capacidades de computación en la nube y AM, se espera que la tecnología de diseño generativo siga, convirtiéndose en un factor clave en el futuro de la fabricación.