Las tres principales ventajas de la optimización topológica que todo equipo de producto debe conocer

La optimización topológica (OT o TopOp) es un método matemático que optimiza la distribución del material dentro de un espacio determinado, teniendo en cuenta las restricciones de carga o contorno dadas. La optimización topológica permite a los diseñadores optimizar un componente o pieza mecánica, generalmente mediante la reducción de material.

La optimización topológica es una forma de diseño generativo, que se refiere a la combinación de tres disciplinas diferentes —diseño, simulación y optimización— para crear una simulación que considere miles de millones de grados de libertad y genere una solución óptima.

La optimización topológica permite a los diseñadores lograr un equilibrio cuidadoso entre resistencia y asequibilidad, determinando cómo crear una pieza suficientemente fuerte utilizando la menor cantidad de material posible. Lo hace de una manera que sería increíblemente difícil de lograr sin la ayuda de una computadora. Esto a veces puede resultar en formas extrañas, por lo que la optimización topológica va de la mano con la fabricación aditiva; la impresión 3D es la herramienta más eficaz para fabricar estas piezas complejas.

El software de optimización topológica permite en última instancia a los diseñadores aprovechar la libertad que ofrece la fabricación aditiva. Sin embargo, hasta hace poco, era prohibitivamente costoso para muchos equipos de producto. Solo en los últimos años la optimización topológica se ha convertido en una función integrada en muchos programas CAD populares, lo que la hace mucho más accesible. Esto es lo que los equipos de producto necesitan saber sobre esta potente herramienta.

Cómo funciona la optimización topológica

Los métodos de optimización topológica más populares y prácticos se basan en elementos finitos (EF). Los EF se refieren a un método de diseño que se basa en simulaciones para determinar qué áreas de un objeto no son estructuralmente críticas y, por tanto, pueden eliminarse potencialmente.

El primer paso para la optimización topológica basada en EF es definir las cargas, fijaciones, restricciones y el "espacio de diseño", o el volumen máximo que una pieza dada puede ocupar potencialmente. El software analizará entonces las restricciones específicas para ofrecer varias opciones de diseño de la pieza y guiar al diseñador en la dirección del mejor diseño posible. Cuando se selecciona un diseño, el software repetirá el proceso para refinar la geometría.

En general, las piezas diseñadas con optimización topológica utilizan menos material para lograr los mismos o mejores resultados, lo que se traduce en ahorros directos de costes y un producto mejorado. Dado que la optimización topológica puede eliminar el exceso de peso de muchos diseños, la tecnología es especialmente popular para componentes metálicos en las industrias aeroespacial y automotriz, ambas beneficiadas por una mayor eficiencia de combustible al reducir el volumen o peso de los materiales de las piezas. Además, como la optimización topológica y la fabricación aditiva permiten a los diseñadores imitar fielmente formas orgánicas, la tecnología se está aprovechando cada vez más para aplicaciones médicas.

Beneficios de la optimización topológica

Las ventajas de la optimización topológica van más allá de la reducción de material. Algunos de sus otros beneficios incluyen:

• Un proceso de diseño acortado: La optimización topológica puede reducir drásticamente los plazos de desarrollo de productos, lo que se traduce en costes reducidos. El proceso automatizado generalmente conduce a piezas de mejor rendimiento en mucho menos tiempo del que se necesitaría con los métodos de diseño tradicionales.
• Mejor rendimiento: El mejor diseño para una pieza dada no siempre es intuitivo, y es posible que un equipo de diseño nunca hubiera llegado a él sin la ayuda de una computadora. Los algoritmos de optimización topológica no tienen los sesgos que tienen los humanos, por lo que tienden a ignorar la estética y las reglas de diseño comunes en favor de un mejor rendimiento.

Mayor eficiencia energética y de costes. La optimización topológica elimina cualquier característica o material innecesario, reduciendo tanto el desperdicio como el coste. Además, como estas piezas son más ligeras, también tienden a reducir la demanda energética en sus aplicaciones finales.

Software popular de optimización topológica

El software de optimización topológica puede adquirirse como herramienta independiente o como módulo integrado en CAD. Dos actores principales en optimización topológica son Altair y Dassault Systèmes. Altair lanzó por primera vez la herramienta OptiStruct en 1994, y General Motors fue su primer cliente. Dassault Systèmes es responsable de varios módulos TopOp populares, incluyendo Tosca y ATOM.

Un puñado de programas CAD populares, como Solidworks y Creo, vienen con herramientas integradas de optimización topológica. Cabe señalar que estas herramientas tienden a ser menos potentes y con menos funciones que el software TO independiente. Dicho eso, son capaces de proporcionar información valiosa durante el proceso de diseño.

nTop Platform es un nuevo tipo de software CAD cuyos módulos TopOp integrados permiten que la salida de datos de las simulaciones impulse directamente parámetros de diseño como el espesor variable de paredes o el espesor de vigas de celosía, aportando nuevas funcionalidades al panorama del software.

Cómo empezar con la optimización topológica

Tanto las empresas modernas como los consumidores exigen soluciones más rápidas, eficientes, efectivas y respetuosas con el medio ambiente que nunca. La optimización topológica puede ofrecer estos beneficios y más a los equipos de producto. Afortunadamente, la tecnología se está volviendo más accesible. Sin embargo, aprovechar al máximo el software TO y optimizar el proceso de desarrollo de productos requiere que los equipos tengan un conocimiento funcional profundo de cómo utilizar la tecnología de manera efectiva.

Los equipos de producto de todo tipo interesados en aprovechar la optimización topológica para crear piezas de mejor rendimiento, menos costosas y a mayor velocidad pueden consultar a los expertos de Fast Radius. Nuestro equipo de diseñadores, ingenieros, tecnólogos y gerentes de proyecto experimentados son expertos en diseño digital, simulación y optimización de rendimiento. Nuestra misión es ayudar a nuestros clientes a hacer posibles cosas nuevas.

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