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El diseño generativo, ¿está cambiando la fabricación aditiva?

Publicado el agosto 17, 2020 por Alicia M.

El diseño generativo es un proceso iterativo que genera múltiples salidas de diseño cumpliendo con las restricciones predefinidas. Este proceso se utiliza en varios campos, como el arte, la arquitectura y el diseño de productos para producir salidas de sonidos, imágenes a modelos CAD. Uno de los principales beneficios del diseño generativo es que es un método rápido para explorar las posibilidades de diseño. Por ejemplo, esta técnica de diseño permite evaluar, no cientos, sino miles de posibles soluciones en un plazo relativamente corto.

En el mundo de la fabricación, este método de diseño se ha utilizado para optimizar piezas. El proceso de diseño generativo comienza dentro de un software que puede generar opciones listas para CAD basadas en restricciones del mundo real y requisitos de rendimiento. Al definir estas restricciones y requisitos, los ingenieros pueden lograr una ponderación ligera, mejoras de rendimiento, consolidación de piezas o sostenibilidad, por ejemplo. Por lo tanto, el diseño generativo está cambiando el proceso de diseño para que los ingenieros pueden resolver desafíos y encontrar soluciones de diseño que no hubieran podido concebir por sí mismos.

Los ingenieros logran un peso ligero, mejoras de rendimiento, consolidación de piezas o sostenibilidad | Créditos: Autodesk

Hoy en día, existen múltiples soluciones en el mercado que se dirigen a las necesidades de diferentes sectores. Peter Rogers, especialista en productos de fabricación aditiva de APAC en Autodesk, explica el proceso de diseño generativo para la fabricación con más detalle: “No requiere una geometría inicial. Los usuarios ingresan las áreas que la parte debe mantener (las regiones preservadas), las áreas en las que el material no debe ingresar (las zonas de exclusión) y luego los requisitos de rendimiento (áreas restringidas, fuerzas y presiones en la parte, etc.). A partir de ahí, puede ingresar múltiples materiales a los que tiene acceso y criterios de fabricación (como el grosor mínimo de la pared y los criterios de ángulo de soporte para aditivos, tamaño de broca para CNC, etc.). Se brinda una orientación básica en términos de objetivos, y la herramienta utilizará los algoritmos de diseño avanzado de Autodesk en paralelo con la tecnología de simulación para crear soluciones de geometría validadas, de costo estimado y fabricables para el problema de diseño definido”.

Diseño generativo: ¿cuáles son los beneficios?

Para explorar las posibilidades de diseño de acuerdo con las limitaciones y requisitos, el software de diseño generativo debe basarse en la inteligencia artificial y el aprendizaje automático para imitar el enfoque evolutivo del diseño de la naturaleza. En otras palabras, el software explora todas las combinaciones posibles para llegar a todas las soluciones posibles. Sin embargo, algunos podrían confundir otras técnicas de diseño, como la optimización topológica con el diseño generativo. Tod W. Parrella, NX Product Management para Siemens Digital Industries Software, explica la diferencia: “La optimización de la topología optimiza la forma del producto para satisfacer los requisitos del sistema, como la resistencia, el peso, el enfriamiento o el flujo. La ingeniería generativa está explorando el espacio de diseño de opciones y posibilidades a un nivel más alto y una escala más amplia, evaluando requisitos multidisciplinarios con la capacidad de resolver contra objetivos múltiples”. Por lo tanto, en lugar de evaluar un resultado de diseño con optimización de topología, los ingenieros pueden comparar y considerar una multitud de resultados de diseño con diseño generativo.

Las oportunidades que el diseño generativo puede brindar a las empresas son enormes. Por ejemplo, Siemens sirve a 8 industrias principales en el mercado para mejorar el rendimiento del producto. Como se mencionó, algunos de los requisitos pueden tener en cuenta el peso, la estructura o el ensamblaje, pero también los costes de fabricación. Parrella explica algunos de los beneficios en las aplicaciones de la vida real: “La ponderación ligera del producto brinda un mayor rendimiento y una mayor eficiencia de combustible a las industrias automotriz, aeroespacial y energética. Los implantes médicos de estructura porosa mejoran la adhesión del crecimiento óseo y mejoran los resultados del paciente. La complejidad reducida del ensamblaje genera importantes ahorros de fabricación a través de menores costos de herramientas y ensamblaje. La optimización masiva mejora el rendimiento del equipo pesado. Y un mayor flujo de aire en masa brinda un mejor rendimiento de enfriamiento a las industrias aeroespacial y de electrónica de consumo”.

Los métodos de ingeniería generativa pueden lograr un peso ligero mientras mantienen la resistencia de las piezas.

Diseño generativo e impresión 3D: ¿una combinación perfecta?

Como ya sabrás, el diseño generativo es parte de la familia de técnicas de diseño para la fabricación aditiva (DfAM). Dado que esta tecnología permite un nuevo nivel de libertad de diseño, tiene sentido usarla para modelos complejos que requieren un método de fabricación más flexible. Sin embargo, la fabricación aditiva no siempre es la tecnología que se desea utilizar con la ingeniería generativa. Rogers explica con más detalle: “Se están fabricando muchas piezas con impresión 3D que podrían hacerse de manera más efectiva utilizando métodos de fabricación tradicionales. Sin embargo, con el diseño correcto, las piezas fabricadas tradicionalmente podrían hacerse de manera mucho más efectiva, aumentando el rendimiento y reduciendo el desperdicio mediante este método. No se trata de impulsar todos los diseños a aditivos, sino de asegurarse de que el diseño correcto se incorpore a la tecnología de fabricación adecuada para lograr el resultado más deseable”.

Sin embargo, la libertad de diseño habilitada por las tecnologías de fabricación aditiva puede ser muy beneficiosa para aprovechar las oportunidades del diseño generativo. Por ejemplo, es posible encontrar soluciones para la optimización estructural, térmica y de flujo, pero también para la optimización de orientación de piezas basada en ingeniería, como minimizar el área de superficie, el volumen de soporte, el sobrecalentamiento o el tiempo de impresión. Al final del día, “la idoneidad de fabricación depende de muchas variables como materiales, volúmenes de fabricación y costos de producción objetivo”, explica Parrella. Y los principales factores que impulsan hacia la FA son: “oportunidades para reducir significativamente la complejidad del ensamblaje del producto a través de la consolidación de piezas, mayores oportunidades para llevar productos personalizados y personalizados al mercado y una flexibilidad de fabricación significativamente mayor”, agrega.

Créditos: Siemens

La evolución de la ingeniería generativa se correlaciona directamente con la potencia informática y los avances recientes en algoritmos informáticos, incluidos los avances en inteligencia artificial. Al mismo tiempo, las tecnologías de impresión 3D han madurado y ahora están avanzando hacia la producción a escala. Dados estos desarrollos, Peter Rogers comenta: “En la fabricación aditiva, encontramos que la mayoría de las veces el peso ligero por sí solo no es suficiente. Para justificar mejor el uso de aditivos, también debemos aumentar el rendimiento y la funcionalidad de las piezas, y esto se verá con la adición de un diseño generativo basado en simulación dinámica para optimizar los caudales, la optimización de la eficiencia térmica, la reducción de la vibración, etc. se agregan capacidades de simulación al proceso de diseño generativo, realmente veremos un alcance aditivo en su día”.

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