Ingenio Triana Blog: La optimización topológica: El diseño del futuro ya esta presente

Hola a todos, en esta entrada vamos a comentar los avances en diseño asistido por ordenador y como una buena optimización nos aporta ventajas como:

Reducir la cantidad de material empleada en la fabricación
Disminuir los tiempos de fabricación al tener menor cantidad de volumen.
Bajar los costes debido a la reducción de tiempo y material invertidos.

Esta optimización puede modificar los siguientes parámetros: Tamaño, forma y topología.

Tamaño: Determina las medidas óptimas en los elementos que forman una estructura.

Forma: Determina la estructura óptima de un objeto de topología fija. Partiendo de una forma predefinida, se intenta optimizar esta medida mediante la moddificación de la conectividad entre elementos o mediante la eliminación de los elementos con menor esfuerzo.Este tipo de optimización, no crea huecos ni cavidades en el interior de la pieza.

Topología: Determina la distribución optima del material en una estructura, mediante la supresión y/o modificación de la conectividad y/o de las coordenadas nodales. Este enfoque más complejo modifica un numero mayor de variables, por tanto su implantación se realiza principalmente mediante software por ordenador para realizar calculos de un gran número de variables.

Será en esta última técnica donde nos centraremos por su alto grado de complejidad pero a la vez, mayor eficiencia y cada vez más instaurada en los requisitos de diseño actual.

Los métodos de homogenización son los más utilizados en la optimización topológica y consisten en optimizar las zonas según su densidad. A densidad nula, se generan huecos o cavidades, eliminando las zonas que no soportan esfuerzo estructural.
Este método puede necesitar de filtros o limitaciones para seguir cumpliendo con los requisitos de fuerza, torsión, resistencia y no perder las propiedades para la que fue diseñada la pieza.

Un método alternativo es la Derivada Topológica o Análisis de Sensibilidad Topológica, que consiste en evaluar la sensibilidad de una función dada ante la creación de una cavidad o hueco.

Para entender un poco más sobre esta técnica de optimización topológica, vamos a explicar paso a paso en que consiste:

1.- Partimos de un diseño 3D y localizamos los puntos de fuerza.
Es importante que la pieza no sufra variaciones en su funcionalidad, pues la premisa de la optimización topológica consiste en disminuir la cantidad de material de un sólido sin alterar sus capacidades.

2.-Se marcan las zonas que soportarán mayor esfuerzo y las que no. Una vez localizadas las zonas que no aportan propiedades de agarre, fijación, etc a la pieza se van eliminando.
Las zonas de color azul, indican esfuerzos nulos, y por tanto será material que podemos eliminar dejando cavidades y reduciendo material. Las zonas de color rojo, indican las partes que soportan el mayor esfuerzo. Las zonas de colores amarillo o naranja pueden ser eliminadas según nuestras necesidades o algunas pueden ser útil para dar mayor rigidez, durabilidad o reducir fatiga en algunos puntos.

3.-Conforme vamos eliminando material sobrante, debemos prestar atención para no alterar las propiedades iniciales de la pieza. Podemos aplicar patrones de simetría, grosores mínimos, tensiones máximas a soportar para asegurar unos resultados viables.Esta aplicación de filtros, garantiza que la pieza no pierda la funcionalidad para la que fue diseñada.

4.- Acabado final de la pieza. Ahora suavizamos las curvas y esquinas para dar una mejor estética a la pieza terminada. Podemos previsualizar como va a quedar definitivamente.

Como podemos observar, la pieza mantiene los puntos de agarre y sujección, pero la cantidad de material ha ido reduciéndose sin modificar sus propiedades mecánicas.

Veamos otros ejemplos en diferentes piezas, desde el inicio hasta el resultado final:

Ejemplo 1:

Ejemplo 2:

Ejemplo 3:

La premisa es siempre la misma, reducir la cantidad de material en la pieza sin modificar sus propiedades mecánicas. Es importante añadir, que esta técnica ha visto su potencial gracias a las nuevas tecnologías de deposición de material, como las impresoras 3D de deposición fundida (FMD), impresoras 3D de diferentes metales, impresoras 3D DLP, y otras tecnologías de fabricación aditiva que permitan la creación de estos diseños complejos.

Un ejemplo ha sido la evolución del gancho que todos conocemos:

Muchas empresas, están rediseñando objetos como cuadros de bicicletas, para hacerlos más eficientes, ligeros y con mucha resistencia.

Todo este movimiento revolucionario en los diseños, siempre es impulsado por la creciente demanda y necesidad de reducir los tiempos de fabricación, reducir la cantidad de materias primas en los procesos de fabricación y mantener o mejorar las propiedades mecánicas de los objetos.

Una de las principales industrias que ha impulsado la optimización topológica ha sido la automoción y el nuevo diseño de muchas piezas y componentes están ayudando a reducir variables como el tiempo de fabricación, el coste, y en conjunto el peso total de los vehículos se ve reducido.

Como se ha podido comprobar, a veces los patrones de optimización son bastantes complejos como para hacer una persona los cálculos considerables... esta dificultad ha sido eliminada gracias a los programas de diseño por ordenador, que integran en sus motores de calculo la optimización a partir de conocer las partes de la pieza que tendrán que soportar las fuerzas necesarias.