Los softwares de optimización topológica para impresión 3D

La optimización tecnológica es un enfoque de optimización estructural destinado a determinar la geometría mínima de un componente. Mediante cálculos informáticos, afina el diseño básico de un modelo para minimizar la cantidad de material utilizado, preservando al mismo tiempo sus prestaciones. Esta reducción de material también conlleva una disminución de los costes de fabricación. El creciente interés por la optimización topológica afecta a muchos sectores, lo que estimula la demanda de softwares especializados. Según un informe de Market Research Intellect, se espera que el mercado de softwares de optimización topológica estructural alcance los $21.020 millones en 2031, con un crecimiento interanual del 11,09% entre 2024 y 2031. Ante esta tendencia, el desarrollo de nuevas soluciones de optimización topológica se está acelerando. Pero, ¿en qué punto nos encontramos hoy? Veamos a continuación los softwares de optimización topológica que podemos utilizar en la fabricación aditiva.

El software 3DXpert

3DXpert es un paquete de software todo en uno originalmente propiedad de 3D Systems y renombrado como Oqton en 2022. 3D Systems adquirió Oqton en 2021, que ahora es una filial de software independiente. Desarrollado para optimizar todo el proceso de fabricación, desde el diseño hasta la impresión, 3DXpert unifica todos los aspectos de la impresión 3D en un único entorno. Minimiza los errores al integrar funciones esenciales como el diseño para la fabricación aditiva (DfAM), la preparación de la impresión, la simulación y la inspección. Además de estas funciones, el software ofrece herramientas avanzadas para la optimización del diseño, incluido el aligeramiento estructural, el texturizado y los ajustes de imprimibilidad. Incluye funciones como la optimización topológica, el mallado, el texturizado y el modelado implícito. Adaptado a las necesidades industriales, 3DXpert destaca por su eficacia, automatización y rapidez, facilitando la producción en diversos sectores.

Altair Engineering y sus softwares de optimización topológica

Altair Engineering es una empresa dedicada al desarrollo de softwares y soluciones en la nube. De su oferta de programas destacan las varias soluciones de modelado 3D, algunas específicamente diseñadas para la fabricación aditiva. Altair® HyperWorks®, por ejemplo, es una plataforma completa que de diseño y simulación que integra optimización topológica a través de un análisis de la integridad estructural de diseños, durabilidad, dinámica, peso, resistencia y eficiencia de materiales. Dentro de esta plataforma existen herramientas específicas de optimización topológica como OptiStruct. Este ofrece diversos métodos de optimización estructural y toda una gama de funciones útiles en procesos de fabricación tradicional, con materiales compuestos y fabricación aditiva. Por otra parte, la empresa ha desarrollado Altair Inspire, un conjunto de programas que aceleran el diseño basado en la simulación. Una herramienta que sobresale es Altair® Inspire™ Print3D, la cual ofrece funciones específicas para reducir el uso de materiales en procesos específicos como PBF y Binder Jetting. Además, existen herramientas para fabricación con moldes, extrusión de metales y polímeros, entre otros.

Ameba, de XIE Technologies

Ameba, desarrollado por XIE Technologies, es otro de los softwares de optimización topológica diseñado para ser a la vez potente e intuitivo. Se basa en la tecnología BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimisation), desarrollada por el profesor Yi-Min Xie, y se integra con Rhino-Grasshopper para el modelado y postratamiento de modelos. Ameba permite analizar rápidamente modelos finitos y optimizar su topología en muy poco tiempo. También incluye un gran número de bibliotecas de cálculo y archivos de código abierto, lo que facilita la manipulación de los datos antes y después del procesamiento. Por último, gracias a sus amplias posibilidades de ampliación y a su compatibilidad con otros programas, Ameba destaca como una herramienta versátil, ideal para el diseño avanzado.

Ansys Additive Suite

Ansys Additive Suite es una solución completa y potente para la fabricación aditiva de metal. Ha sido desarrollada para evitar fallos de fabricación y garantizar que las piezas cumplan las especificaciones de diseño. Proporciona a diseñadores, ingenieros y analistas información esencial al cubrir todo el flujo de trabajo, desde la optimización topológica hasta la validación del diseño. Sus funciones avanzadas incluyen la manipulación de archivos STL, el análisis estructural y térmico, y la simulación de procesos aditivos, como DMLS, DED y sinterización de metales. Además, Ansys Discovery, la primera herramienta de diseño basada en simulación que combina la simulación física instantánea y el modelado avanzado, sigue estando disponible para dar soporte a los proyectos de fabricación aditiva.

Créditos: Ansys

COMSOL Multiphysics®

COMSOL Multiphysics® es un paquete de software completo dedicado a la optimización topológica, que ayuda a maximizar el diseño de piezas destinadas a la impresión 3D. Se basa en métodos numéricos avanzados y ofrece herramientas de modelización multifísica y monofísica totalmente integradas. Su interfaz intuitiva facilita una gestión fluida y eficaz de todo el flujo de trabajo. El software se ha mejorado con un módulo complementario, el módulo de optimización, que ofrece herramientas adicionales para la estimación de parámetros y la optimización de formas y topologías. En el sitio web de COMSOL se pueden encontrar ejemplos concretos del uso del módulo de optimización, como la optimización topológica de un gancho para mejorar la distribución del material y el peso, o el diseño de una bobina para optimizar la densidad del flujo magnético. Además, COMSOL Multiphysics® ofrece dos interfaces de usuario separadas para la optimización de formas y parámetros, lo que proporciona flexibilidad para satisfacer las necesidades específicas de los usuarios.

Diseño de bobina optimizado para un campo magnético uniforme a lo largo del eje. (Créditos: COSMOL Multiphysics®)

El programa Cognitive Design

El software Cognitive Design ha sido desarrollado por la empresa francesa Cognitive Design Systems. Ofrece múltiples funcionalidades y su objetivo es optimizar los diseños, sea cual sea su complejidad. Mediante un enfoque basado en la simulación, los diseñadores CAD pueden identificar las mejores estrategias para reducir el peso de sus modelos 3D y crear nuevas formas. El software permite integrar nervaduras y estructuras reticulares, o jugar con rellenos. Los usuarios pueden aplicar estas optimizaciones geométricas de forma semiautomática, lo que ofrece una mayor flexibilidad y reduce los tiempos de diseño. Además, Cognitive Design puede utilizarse para generar modelos para impresión 3D e identificar cualquier fallo de fabricación en esta fase. Avisará, por ejemplo, del grosor de los nervios, de la colocación de la pieza en la bandeja, etc. En definitiva, se trata de una solución que va más allá de la optimización topológica y racionalizará el proceso de producción.

Netfabb prepara el proceso de fabricación

Adquirida por Autodesk en 2015, Netfabb es una solución de software destinada a la preparación del proceso productivo. Entre sus principales características encontramos la conversión e importación de modelos procedentes de distintas aplicaciones CAD, la maximización en el número de piezas capaces de ser impresas y, como era de esperar, la optimización de diseño para la fabricación aditiva. Debido a la gran libertad de diseño que ofrece esta tecnología, Netfabb debía integrar la optimización topológica en su solución de software. Además de preparar el proceso de impresión, el programa permite reducir los fallos durante el mismo, prediciendo cómo las piezas podrían verse afectadas. Netfabb está disponible en 4 versiones diferentes: Standard, Premium, ultimate y Simulation, por lo que su precio variará dependiendo de la versión escogida.

El software nTop

Con sede en Nueva York, nTop es una empresa dedicada al desarrollo de soluciones de optimización topológica para resolver problemas complejos de ingeniería en la fabricación aditiva. Su software nTop proporciona acceso a un conjunto de funciones para transformar la forma de diseñar, perfeccionar y ampliar el desarrollo de productos. Además de la opción de base, la empresa ofrece dos variantes para expandir las capacidades de modelado. nTop Automate por ejemplo, permite ejecutar flujos de trabajo de diseño a escala, todo ello en un entorno programático. Por su parte, nTop Core permite conectar aplicaciones con archivos implícitos, logrando evitar las conversiones a mallas B-rep o STL. De esta forma se consigue un proceso fluido que da lugar a diseños de mayor fidelidad y piezas de mejor rendimiento. Sin duda es una opción rentable para la exigente industria 3D, que están en constante búsqueda de aligerar piezas a la vez que reducen costes productivos.

OpenPISCO

OpenPicso es un paquete de software modular de código abierto dedicado a la optimización topológica. Ofrece un proceso de diseño estructural compatible con celosías, redes no estructuradas y redes adaptables al cuerpo. Cuenta con una interfaz gráfica de usuario intuitiva, una aplicación de línea de comandos y una biblioteca Python. Se hace hincapié en la modularidad, la extensibilidad y la interoperabilidad, lo que permite a los usuarios integrar rutinas, como algoritmos de optimización o procesamiento de redes, sin tener que modificar el código fuente. La optimización topológica se basa en un motor de modelado implícito. OpenPicso está siendo desarrollado actualmente por IRT SystemX y Safran Tech, en el Centro de Investigación y Tecnología de Safran.

Créditos: OpenPisco

Siemens NX

La empresa Siemens ha desarrollado una solución de software integrada llamada NX. Permite a cualquier usuario beneficiarse de las ventajas de la fabricación aditiva simplificando los pasos de modelado. La herramienta ofrece la opción de diseñar para impresión 3D, preparando las piezas, visualizarlas, multiplicar iteraciones, etc. Entre las características que ofrece encontramos la optimización topológica, que es parte de lo que Siemens llama “modelado convergente”. Desarrolló una solución para hacer posible la convergencia de la geometría tradicional con modelos de malla en un mismo modelo. Así, el usuario no necesita pasar por otro formato de archivo y exportarlo si quiere optimizar la pieza, sino que todo se hace desde la plataforma. NX no es un software de optimización de topología estrictamente hablando; es una solución todo en uno que ofrece esta función para la fabricación aditiva.

Créditos: Siemens

TopOpt

TopOpt es una herramienta integrada en Grasshopper, el entorno de programación visual de Rhinoceros 3D, diseñada para explorar nuevos métodos de optimización topológica en los campos de la arquitectura y la ingeniería estructural. Actualmente en fase alfa, TopOpt ofrece varias estrategias de optimización, entre ellas un enfoque 2D derivado de una aplicación móvil interactiva, un método basado en estructuras continuas optimizadas para tracción y compresión, y un modelo bimaterial para estructuras compuestas. El desarrollo futuro del software incluirá funciones avanzadas como la optimización en 3D y una mayor visualización interactiva. Compatible con Grasshopper para Rhino 4 y 5, TopOpt supone un gran paso adelante para los diseñadores que deseen integrar soluciones de optimización de alto rendimiento en sus proyectos.

Tosca

Tosca es una suite de optimización de Dassault Systèmes. Se trata de una potente solución de optimización de flujo y estructura basada en simulaciones FEA y CFD. La empresa ofrece dos soluciones de productos: Tosca Structure y Tosca Fluid. Tosca Structure se puede utilizar para optimizar la fabricación de piezas ligeras, rígidas y duraderas. Gracias a la optimización topológica, se puede reducir el proceso de desarrollo y el tiempo de comercialización. Una ventaja que los fabricantes de automóviles, entre otros, saben aprovechar. La versión actual de Tosca se suministra con Python 3.7.1 y se ha mejorado mediante la creación automática de condiciones de parada. El segundo producto, Tosca Fluid, se utiliza para el diseño y la topología de flujo de fluidos no paramétrico para componentes y sistemas.

Tosca es muy utilizado en la industria automotriz.

z88

En 1985, el profesor Frank Rieg desarrolló la primera versión del software Z88 en la Universidad de Bayreuth. En la actualidad, el software ha evolucionado hasta incluir diversas variantes, como Z88OS, un núcleo computacional de código abierto diseñado para una comprensión fundamental del AEF, y Z88Aurora®, una versión con una interfaz gráfica de fácil manejo que también admite datos CAD. Z88Arion® destaca por su capacidad de optimización topológica. Además, las aplicaciones móviles Z88Tina y Z88Mobile permiten visualizar rápidamente los resultados de la simulación. Todo el software de la familia Z88 sigue siendo gratuito y está destinado principalmente a la formación de ingenieros en universidades y escuelas especializadas. Z88Arion® ofrece una interfaz intuitiva combinada con potentes núcleos de cálculo, que incluyen un preprocesador, un solucionador y un postprocesador, lo que facilita el manejo y la realización de cálculos eficaces.

(Créditos: Z88)

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