Optimización de topología 101:Cómo utilizar modelos algorítmicos para crear diseños ligeros

¿Dónde se encuentra el buen diseño con la función? A medida que el diseño asistido por computadora (CAD) continúa evolucionando y las técnicas de fabricación avanzadas como la impresión 3D se generalizan, lo que hace posible crear piezas complejas más fácilmente que nunca, los diseñadores e ingenieros pueden aprovechar el software de optimización de topología para ampliar los límites y encontrar nuevas formas de maximizar la eficiencia del diseño.

En esta guía, aprenda los conceptos básicos de la optimización de la topología, sus beneficios y aplicaciones, y qué herramientas de software puede utilizar para comenzar.

¿Qué es la optimización de topología?

La optimización de topología (TO) es un método de optimización de formas que utiliza modelos algorítmicos para optimizar el diseño del material dentro de un espacio definido por el usuario para un conjunto dado de cargas, condiciones y restricciones. TO maximiza el rendimiento y la eficiencia del diseño al eliminar el material redundante de las áreas que no necesitan transportar cargas significativas para reducir el peso o resolver desafíos de diseño como reducir la resonancia o el estrés térmico.

Los diseños producidos con optimización de topología a menudo incluyen formas libres y formas intrincadas que son complejas o imposibles de fabricar con métodos de producción tradicionales. Sin embargo, los diseños TO son una combinación perfecta para los procesos de fabricación aditiva que tienen reglas de diseño más tolerantes y pueden reproducir fácilmente formas complejas sin costos adicionales.

Optimización de topología frente a diseño generativo

El diseño generativo y la optimización de la topología se han convertido en palabras de moda en el espacio del diseño CAD, pero es un error común pensar que son sinónimos.

La optimización de topología no es nueva. Ha existido durante al menos 20 años y ha estado ampliamente disponible en herramientas de software CAD comunes. El inicio de su proceso requiere que un ingeniero humano cree un modelo CAD, aplicando cargas y restricciones teniendo en cuenta los parámetros del proyecto. Luego, el software elimina el material redundante y genera un concepto de modelo de malla optimizado único listo para la evaluación de un ingeniero. En otras palabras, la optimización de la topología requiere un modelo diseñado por humanos desde el principio para que funcione, lo que limita el proceso, sus resultados y su escala.

En cierto modo, la optimización de la topología sirve como base para el diseño generativo. El diseño generativo lleva el proceso un paso más allá y elimina la necesidad del modelo inicial diseñado por humanos, asumiendo el rol del diseñador basado en el conjunto predefinido de restricciones.

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Cómo funciona la optimización de topología

La optimización de la topología suele tener lugar hacia el final del proceso de diseño, cuando la pieza deseada debe tener un peso menor o utilizar menos materiales. Luego, el diseñador trabaja para descubrir ciertos parámetros preestablecidos, como cargas aplicadas, tipo de material, restricciones y diseño.

La optimización de la topología estructural determina primero el espacio de diseño mínimo permitido necesario para la optimización de la forma del producto. Luego, virtualmente, el software de optimización de topología aplica presión sobre el diseño desde diferentes ángulos, prueba su integridad estructural e identifica el material innecesario.

El flujo de trabajo de optimización de topología. (fuente)

La técnica más común y práctica para la optimización de la topología es el método de elementos finitos (FEM). Primero, FEM toma en cuenta el diseño geométrico para el espacio mínimo permitido, junto con otros factores, y divide el diseño en partes. Luego, prueba cada elemento finito en cuanto a rigidez, cumplimiento y material redundante. Finalmente, FEM vuelve a unir las piezas para finalizar el diseño completo.

Validar el diseño implica determinar un umbral para el campo de densidad del elemento entre un valor de 0 y 1. Un valor de 0 anula el material en una región designada de la estructura, mientras que un valor de 1 establece la región designada como material sólido. Luego, el diseñador puede quitar el modelo de todo el material innecesario y finalizar la parte de optimización de topología del diseño.

Antes de la fabricación aditiva, los diseñadores descartaban muchas de las formas complejas creadas por la optimización de la topología, ya que no eran factibles de fabricar y su potencial seguía sin aprovecharse.

Ventajas de la optimización de topología

Los ingenieros necesitan una buena razón para romper con los métodos clásicos de diseño y fabricación. Si un diseño innovador no cuesta menos, funciona mejor o ahorra tiempo, el fabricante verá pocas razones para cambiar. Veamos los beneficios de la optimización de topología.

Ahorrar dinero

Muchas de las geometrías complejas que provienen de la optimización de la topología harían inviables los costos de producción con las prácticas de fabricación tradicionales. Pero cuando se combina con la impresión 3D, esta complejidad no tiene costos adicionales.

La fabricación de piezas impresas en 3D aún puede ser más costosa de producir que sus contrapartes no optimizadas y fabricadas tradicionalmente, pero estos diseños livianos pueden ofrecer mayores ahorros de costos a los fabricantes de otras maneras:

• Mejor eficiencia de combustible ya que se requiere menos energía para poner las piezas en movimiento gracias a la menor fricción (aviones, automóviles)

• Menores costos de empaque y transporte

• Se necesita menos maquinaria pesada para las líneas de montaje

Resolver desafíos de diseño

La optimización de la topología puede resolver desafíos comunes en el proceso de diseño, como los siguientes:

• La resonancia ocurre cuando la fuerza permitida por una forma en un sistema domina al sistema. Esto puede resultar en deformación mecánica, reducción de la estructura mecánica y emisiones contaminantes.

• El estrés térmico es cualquier cambio en la temperatura de un material, debido a la fricción u otros factores, que resulta en fatiga térmica y deformación dentro de un sistema.

A veces, la optimización del diseño implica funciones objetivas en competencia, como la optimización del tamaño y el peso. Por ejemplo, las piezas aeroespaciales se benefician de ser livianas, pero también deben soportar enormes cantidades de torque, estrés y calor. Un algoritmo puede equilibrar un diseño para tener en cuenta cada una de estas funciones objetivas y encontrar el punto óptimo.

Ahorro de tiempo

Si bien trabajar con software de optimización de topología aún requiere una gran experiencia, las herramientas TO pueden producir rápidamente diseños de alto rendimiento que un ingeniero no podría crear manualmente. Esto significa menos tiempo y energía gastados en el diseño CAD y resultados finales confiables con menos iteraciones del diseño.

En lo que respecta a la fabricación de piezas, los procesos de fabricación aditiva también pueden convertir las piezas finales rápidamente, ya que no requieren herramientas mucho más rápido que los métodos de fabricación tradicionales.

Reducción del impacto ambiental

La creación de productos más pequeños y livianos reduce la huella de carbono general de un fabricante al requerir menos material de construcción en primer lugar. En comparación con las herramientas tradicionales de fabricación sustractiva, las piezas producidas mediante procesos aditivos también generalmente requieren menos materia prima y producen menos desechos.

A menudo, los ahorros más importantes se producen a lo largo de la vida útil de las piezas. Por ejemplo, las piezas livianas para aviones reducen su impacto ambiental al requerir menos combustible.

Eliminación de errores

Básicamente, la optimización de la topología consiste en eliminar errores. Al realizar pruebas de estrés, el proceso tiene en cuenta una amplia gama de variables y evita suposiciones arriesgadas que podrían conducir a productos defectuosos.

Aplicaciones de optimización de topología

Los diseños livianos, eficientes y de alto rendimiento posibles con técnicas de optimización de topología se aplican a una amplia gama de industrias.

Aeroespacial

Debido a la importancia de la reducción de peso, la optimización de la topología es una combinación natural para la ingeniería aeroespacial y la aeronáutica. TO se ha utilizado, por ejemplo, para mejorar el diseño de la disposición de estructuras de fuselajes, como nervaduras de refuerzo o soportes para aeronaves.

Más allá de permitir el aligeramiento estructural, la optimización de la topología puede ayudar a desbloquear el potencial de las tecnologías de fabricación avanzadas, como la fabricación aditiva o los materiales compuestos, que son cada vez más populares en el sector.

Optimización de topología del componente de nervadura del borde de un Airbus A380. (fuente)

Automotriz

En la industria automotriz, la optimización de la topología equilibra la conveniencia de las piezas livianas para la eficiencia del combustible y la potencia con la estabilidad y la resistencia de una carrocería que puede resistir el par y el impacto.

Además de los ahorros masivos, la optimización de la topología también puede mejorar la seguridad de los pasajeros al definir la forma en que una estructura colapsa durante un accidente.

Un cuadro de motocicleta liviano con topología optimizada fabricado con impresión 3D de metal. (fuente)

Médico

La fabricación aditiva es ideal para crear implantes médicos, ya que permite a los profesionales médicos crear formas y superficies de forma libre y estructuras porosas. Gracias a la optimización de la topología, los diseños pueden presentar estructuras de celosía que son más ligeras, proporcionan una mejor osteointegración y duran más que otros implantes.

Las herramientas TO también pueden optimizar los diseños de andamios biodegradables para ingeniería de tejidos, implantes porosos y ortopedia liviana. Las aplicaciones de la nanotecnología, como la manipulación celular, la cirugía, los microfluidos y los sistemas ópticos, también utilizan la optimización de la topología.

Implante de cráneo, producido con fabricación aditiva de metales. Fuente:Autodesk

Software de optimización de topología

Los diseñadores reconocen cada vez más la versatilidad, la velocidad y las sólidas capacidades de aprovechar la optimización de la topología. Las empresas de software están respondiendo proporcionando los conjuntos de herramientas necesarios, ya sea dentro de sus ofertas preexistentes o mediante nuevas soluciones de software.

Los siguientes son algunos ejemplos de software de optimización de topología:

• nTopology ofrece un "conjunto de herramientas único de diseño generativo y capacidades de automatización", que acelera el proceso de diseño al combinar geometría avanzada, simulaciones y datos experimentales. Su motor de geometría se aplica en una variedad de aplicaciones, desde la industria aeroespacial y automotriz hasta el diseño de cascos de fútbol y dispositivos específicos para pacientes en el campo médico.

• Las soluciones de simulación de SOLIDWORKS cuentan con optimización de topología entre sus herramientas de análisis estructural y ofrecen múltiples métodos para llevar estos diseños optimizados nuevamente a un entorno CAD.

• La plataforma CAD basada en la nube Fusion 360 de Autodesk ofrece optimización de formas y funciones avanzadas para respaldar la verificación del diseño para la fabricación en herramientas de fabricación tradicionales y digitales como la impresión 3D.

• El software de diseño generativo Creo 7.0 incluye la extensión Generative Topology Optimization, que permite a los usuarios tener en cuenta las limitaciones y requisitos del producto y "explorar rápidamente opciones de diseño innovadoras para reducir el tiempo y los gastos de desarrollo".

• Altaire OptiStruct integra optimización y análisis estructural. Especializado en eficiencia estructural y de peso ligero, presenta un método patentado de optimización de topología en el diseño de estructuras de celosía. Su entorno multifísico integrado, que incluye transferencia de calor, vibraciones y acústica, dinámica del rotor y rigidez y estabilidad, ayuda al diseño en áreas como la electrónica de consumo, el modelado aeronáutico y las tecnologías médicas.

• Tosca Structure funciona dentro del software FEA y cuenta con modelos de simulación realistas con la capacidad de cambiar la geometría de manera rápida y confiable. Su capacidad de transformación permite la optimización de la forma en la mezcla de elementos finitos existente, sin pasar por los pasos intermedios, y es especialmente importante para los diseñadores de estructuras mecánicas.

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Fuente de la imagen de portada:nTopology