Del diseño tradicional al diseÑo orientado a la manufactura aditiva

Las necesidades del diseño en la industria aeronáutica y aeroespacial han permitido el desarrollo de una serie de herramientas enfocadas a optimizar el peso de componentes clave que aumentan la eficiencia de los equipos y aeronaves.

​Tradicionalmente se ha realizado el diseño de piezas bajo el concepto de modelado paramétrico, es decir, partiendo de figuras geométricas convencionales  o a partir de sólidos arquimedianos, esta medida también limitada por los procesos de manufactura disponibles, por tanto, los desarrollos generados suelen ser característicos en su forma, porque siempre se asemejará a un patrón geométrico predominante.

Imagen 1.- Elementos del modelado paramétrico

​Como se aprecia en la imagen 1, el diseño tradicional está basado en una intersección de elementos geométricos conocidos, líneas, arcos, entre otros, que en conjunto conforman el boceto principal que da forma a la pieza. Posteriormente para aplicar operaciones de 3D con la finalidad de obtener el volumen requerido, como se muestra en la imagen 2.

Imagen 2.- Sólido generado por medio de extrusión

M.M.A Miguel Angel Munguia Flores

Estudió la ingeniería electromecánica especializado en mecatrónica por el Instituto tecnológico Superior de Tamazula de Gordiano, obtuvo el grado de maestro en manufactura aditiva con especialidad en diseño y optimización topológica para la manufactura aditiva por ALINNCO.
Tiene 11 años de experiencia en la docencia en el área de ingeniería electromecánica, innovación agrícola  e industrias alimentarias para el ITJMMPYH UA Tamazula, 2 años de experiencia en docencia en el área de diseño de sistemas biomédicos para la Universidad Anáhuac de Querétaro.
Cuenta con certificaciones en el uso de programas de diseño, como solidworks CSWA, CSWA-MA, así como en Lean Six Sigma Yellow Belt
Además de la docencia, se dedica a la impartición de cursos de actualización y especialización en el área de diseño, y la creación de contenido educativo para la plataforma de Youtube.

​Una vez teniendo el modelo base, se realizan operaciones de edición - modificación con la intención de agregar operaciones de corte y unión para alcanzar la forma final requerida. Como se muestra en la imagen 3.​

​Las ventajas del modelado tradicional paramétrico, es que se pueden utilizar ecuaciones que facilitan la edición, así como relacionar tamaños entre los principales elementos que dan forma a la pieza final, como por ejemplo, en el caso de los tornillos la relación existente entre el largo del elemento con el diámetro de la cabeza raíz, al usar elementos de correlación, basta solo con modificar uno de ellos, para que el resto se actualice a esos nuevos parámetros de entrada, como se ve en la figura 4.

Imagen 3.- Modelo final

Imagen 4. Uso de tablas paramétricas para el modelado convencional

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​Para el caso de la manufactura aditiva, con la finalidad de aprovechar todo su potencial, se requiere que los componentes que se van a diseñar puedan optimizarse a tal punto que se pueda disminuir la cantidad de material a utilizar, pero que cumpla con los estándares de resistencia y rigidez que aseguren que será un componente totalmente seguro de utilizar.

En este sentido en el área de diseño orientado a la manufactura aditiva, se han desarrollado una serie de algoritmos que permiten optimizar los componentes diseñados bajo un estándar convencional, los cuales toman como base de referencia, los resultados del análisis por medio de elementos finitos, con la finalidad de conocer la distribución de la carga sobre el componente, como se ve en la imagen 5, y así, determinar las áreas con potencial para reducir su forma (Shape optimization) o dimensiones (Size optimization).

Imagen 5.- Análisis de componentes por medio de elementos finitos CAE

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Mediante los resultados que arroja el análisis de elementos finitos, es posible determinar las áreas que de manera manual podrían redefinirse, para posteriormente volver a analizar, hasta comprobar que el componente es ligero y seguro, resultando hasta cierto punto en una actividad cíclica que está sujeta a la perspectiva del diseñador.

Para evitar este trabajo cíclico y sujeto a la experiencia del diseñador, se desarrolló el algoritmo SIMP, conocido también como optimización topológica, utilizado en algunos programas como solidworks, autodesk inventor, entre otros.   La característica de este algoritmo, es que se basa en los resultados del análisis de elementos finitos, pero compara cada resultado con un parámetro base, con la finalidad de determinar de manera automática los nodos que se pueden eliminar para dejar un componente optimizado que cumpla con las características de bajo peso, y mantener las condiciones de resistencia y rigidez, como se muestra en la imagen 6.

Imagen 6.- Optimización topológica con algoritmo SIMP

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Los resultados de la optimización topológica, pueden exportarse como una malla para su edición posterior con la finalidad de suavizar las aristas que resultan de la omisión de nodos.
 

Otro de los algoritmos utilizados para el diseño orientado a la manufactura aditiva, es el algoritmo celular conocido también como Lattice Design, este algoritmo busca cambiar la topología del componente a el uso de celdas, andamiajes o estructuras que asemejan a la distribución celular de algunos tejidos orgánicos, o también a la distribución del arreglo cristalino presente en algunos elementos como se ve en las imágenes 7,8 y 9.

Imagen 7.- Retícula celular tipo hexagonal 3D

Imagen 8.- Retícula celular tipo hexagon 2D (Honeycomb)

Imagen 9.- Retícula celular tipo gyroid

Este tipo de algoritmo de diseño permite desarrollar componentes ultraligeros de alta resistencia, y su fabricación es totalmente aditiva.
 
Finalmente otro de los algoritmos orientado al diseño para la manufactura aditiva, es el diseño generativo, el cual utiliza algoritmos de inteligencia artificial que emulan la evolución de un modelo considerando el espacio de trabajo y las condiciones de carga, para generar una múltiple cantidad de soluciones posibles al problema de diseño, ver imagen 10.

Al utilizar este tipo de algoritmo de diseño, deben definirse las áreas que se desean unir (verde), las áreas a evitar (rojo), así como las cargas a soportar, las zonas de sujeción, el tipo de material, técnica de fabricación y objetivos, que pueden ser desde un factor de seguridad, una frecuencia e incluso la cantidad de desplazamiento permitido. Ver imagen 11.
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Imagen 10.- Espacio y condiciones de trabajo para el diseño generativo

Imagen 11. Condiciones para utilizar el diseño generativo

Una vez que el algoritmo genera los posibles escenarios de solución al problema de diseño, nos permite evaluar diversas condiciones, como tipo de manufactura, resistencia y rigidez, peso, entre otros, como se muestra en la imagen 12.

Los resultados del diseño generativo en su mayoría, están orientados principalmente a su fabricación por medio de impresión 3D, aunque el algoritmo permite realizar modelos para otras técnicas de fabricación, de manera que se pueden comparar los resultados y seleccionar el más adecuado para resolver un problema de diseño.
 
En conclusión, las técnicas de diseño orientado a la manufactura aditiva versus el diseño tradicional, permiten optimizar principalmente el peso de los componentes sin comprometer la resistencia y rigidez, cualquiera de las técnicas mencionadas requieren de un análisis independiente, para conocer a fondo las ventajas y desventajas de cada una de ellas, y de esta manera elegir la que se ajuste a las necesidades del diseño de un componente en específico.

Imagen 12.- Resultados del diseño generativo