Introducción al diseño generativo

El diseño generativo es la próxima meta en el diseño CAD para los ingenieros que trabajan en prácticamente todas las industrias de fabricación. Aprovecha el poder de la inteligencia artificial (IA) para desarrollar nuevas iteraciones de diseño de alto rendimiento que ayudan a solucionar los desafíos más complejos, reducir el peso de los componentes y los costes de fabricación, personalizar la escala y optimizar el rendimiento.

Aunque los diseños con muchas celosías y características extraordinariamente complejas pueden parecer exóticos, el diseño generativo tiene cada vez más aplicaciones prácticas a día de hoy.

En esta guía exhaustiva descubrirás cómo funciona el diseño generativo, así como sus ventajas, aplicaciones y el papel tan importante que tiene la impresión 3D a la hora de hacer realidad diseños increíbles. A partir de casos de estudio reales y consejos prácticos, verás cómo puedes empezar hoy mismo.

El diseño generativo es un proceso de exploración de diseño iterativo que utiliza un programa de software impulsado por IA para generar una gama de soluciones de diseño que cumplen con un conjunto de restricciones. A diferencia del diseño tradicional, en el que el proceso comienza con un modelo basado en los conocimientos del ingeniero, el diseño generativo comienza con unos parámetros de diseño y utiliza la IA para crear el modelo.

Al modificar los parámetros de diseño en un ciclo de retroalimentación cada vez más refinado, los ingenieros pueden encontrar soluciones de diseño muy optimizadas y personalizadas para una amplia gama de desafíos de ingeniería, como la creación de componentes de producto más ligeros, fuertes y rentables.

El diseño generativo y la optimización topológica se han convertido en las palabras de moda en el mundo del diseño CAD, pero a menudo se suelen confundir como sinónimos. 

La optimización topológica no es nueva. Ha existido durante al menos 20 años y ha estado disponible en muchas de las herramientas habituales de software CAD. Para iniciar el proceso, se requiere un ingeniero humano para crear un modelo CAD, en el que se apliquen cargas y restricciones teniendo en cuenta los parámetros del proyecto. Luego, el software genera un concepto de modelo de malla optimizado que está listo para que el ingeniero lo evalúe. En otras palabras, la optimización topológica requiere un modelo diseñado por humanos desde el principio para que funcione, lo que limita el proceso, sus resultados y la escala. 

De cierta forma, la optimización topológica sirve como base para el diseño generativo. El diseño generativo lleva el proceso un paso más allá y elimina la necesidad de que el modelo inicial sea diseñado por humanos, asumiendo el papel del diseñador en función del conjunto predefinido de restricciones.

La función del dingeniero ha evolucionado de la mano de la tecnología. A medida que el diseño ha empezado a depender cada vez más de los programas informáticos, entender cómo manipular las herramientas digitales para solucionar los desafíos del diseño se ha convertido en un requisito fundamental para los ingenieros que trabajan en todas las industrias. Antes del diseño generativo, los ingenieros conceptualizaban y probaban las iteraciones utilizando modelos y bocetos prácticos.

Ahora, al utilizar software de diseño generativo, los ingenieros especifican requisitos de alto nivel de rendimiento y marcos de diseño generales para luego dejar los detalles en manos del software. El proceso de definición de estos parámetros puede ser particularmente complejo a la hora de caracterizar materiales nuevos o modelar problemas o espacios de solución difíciles de definir.

En un cambio fundamental de los procesos de diseño tradicionales, los ingenieros ya no tendrán que crear soluciones de diseño por sí mismos. En cambio, gracias al diseño generativo, articulan y refinan el entorno en el que las soluciones de diseño pueden tener éxito. Al dejar que los ordenadores "piensen" por ellos, el diseño generativo permite que los ingenieros se puedan centrar en la innovación y en la resolución de problemas de alto nivel.

Existen aplicaciones del diseño generativo en muchas industrias, desde el sector aeroespacial y la arquitectura hasta la fabricación y los bienes de consumo. Los ingenieros que utilizan el diseño generativo normalmente intentan solucionar los complejos desafíos de la ingeniería. Entre ellos se incluye reducir el peso de los componentes y los costes de fabricación, escalar la personalización de los componentes y optimizar el rendimiento.

Por ejemplo, en el sector de la fabricación automovilística, los ingenieros recurren al diseño generativo para reducir el peso de los componentes, mejorar las zonas de diseño más débiles, disminuir los costes de producción mediante la consolidación de componentes y reducir el tiempo de comercialización de nuevos productos.

De igual forma, en el sector del equipamiento deportivo, los diseñadores aprovechan el diseño generativo para alcanzar nuevos niveles de rendimiento de los productos y reducir al mismo tiempo los costes de producción. En el sector aeroespacial, el diseño generativo permite a los fabricantes de aerolíneas reducir el peso y mejorar la resistencia de los componentes de los aviones, lo que ayuda a que las aerolíneas vean reducido el consumo de combustible y por consiguiente disminuyan sus costes y emisiones.

Exploración simultánea: Una de las ventajas más notables del diseño generativo es que permite la exploración, validación y comparación simultáneas de cientos o miles de opciones de diseño. El software puede mostrar y comparar las opciones de diseño de una forma que permite a los ingenieros encontrar rápida y eficazmente cuáles son los que mejor cumplen los parámetros y necesidades del proyecto.

Cronología de diseño acelerada: Cuando los ingenieros aprovechan la IA para descubrir y probar nuevas iteraciones de diseño complejas de manera rápida, eficiente y a escala, pueden acortar drásticamente el tiempo de investigación y desarrollo para nuevos productos. Como resultado, las empresas que utilizan el diseño generativo pueden ganar una ventaja competitiva al acelerar el tiempo de comercialización de productos.

Aprovechamiento de los procesos de fabricación avanzados: El diseño generativo puede crear diseños complejos como características orgánicas o celosías internas con el fin de aprovechar la libertad de diseño única que ofrecen las tecnologías de fabricación aditiva. También ofrece la capacidad de consolidar piezas, por lo que una única geometría compleja creada mediante un algoritmo generativo e impresa en 3D puede a menudo reemplazar los ensamblajes de docenas de piezas independientes. 

Quien tenga experiencia con CAD puede dar fácilmente el salto al software para diseño generativo. Además del software específico para diseño generativo, actualmente muchos programas CAD llevan integrados complementos o herramientas de diseño generativo.

El software para diseño generativo, sin embargo, ofrece a los usuarios mucho más que la funcionalidad tradicional del software CAD. Estas herramientas permiten a los usuarios introducir información sobre fuerzas, materiales, costes y similares en los perfiles de diseño, así como priorizar y refinar los parámetros basados en representaciones gráficas de soluciones de diseño. 

Lo que encontrarás a continuación no es de ninguna manera una lista exhaustiva, pero sí que encontrarás los programas de software más populares que ofrecen capacidades de diseño generativo: 

1. Fusion 360 de Autodesk: Fusion 360 ofrece a los usuarios un gran conjunto de herramientas de modelado, como bocetos, modelado directo, modelado de superficies, modelado paramétrico, modelado de mallas, renderizado y mucho más. Sus capacidades de diseño generativo permite a los usuarios identificar los requisitos de diseño, las restricciones, materiales y opciones de fabricación para crear diseños listos para la fabricación, al mismo tiempo que permiten a los usuarios aprovechar el poder del aprendizaje automático y la IA para revisar los resultados de diseño generados en la nube en función de similitudes visuales, gráficos y filtros.

2. Creo Generative Design de PTC: Al aprovechar la nube, este software permite a los usuarios crear conceptos de diseño optimizados y al mismo tiempo explorar y probar las numerosas iteraciones de diseño rápidamente. Destaca las iteraciones que mejor se adaptan a los objetivos del usuario en función de los parámetros de diseño que este establece. Dentro del entorno de diseño de Creo, el software promete generar diseños de gran calidad, a bajo coste y fabricables, todo ello en menos tiempo que sus principales competidores.

3. nTop Platform de nTopology: El software de nTop Platform promete a los usuarios un control completo de todos los aspectos del proceso de optimización y sus resultados. Al aprovechar las herramientas generativas avanzadas, los usuarios pueden crear procesos de trabajo personalizados y reutilizables adaptados a los requisitos únicos de la aplicación. Entre las principales características de este programa encontramos: operaciones de modelado y entramado irrompibles, optimización tipológica, procesos de trabajo de diseño reutilizables, diseño controlado por parámetros y simulaciones de análisis de elementos finitos mecánico-térmicos.

4. NX de Siemens: Más allá del diseño generativo, la principal característica que ofrece NX es su tecnología de gemelo digital, que promete a los usuarios una solución flexible, poderosa e integrada para ayudarles a optimizar el diseño y la entrega de los mejores productos. NX combina la interoperabilidad del diseño, la validación, la definición basada en el modelo y mucho más para ayudar a los usuarios a mover los productos a través de la investigación y el desarrollo de una forma más rápida y con un coste reducido a la vez que mejora la calidad del producto.

5. MSC Apex Generative Design de MSC Software: Este programa promete a los usuarios una solución completa para la realización de componentes metálicos de alta precisión de manera más rápida y con menos intervención humana que la competencia. MSC Software declara que los usuarios experimentan una reducción en el diseño inicial y en el tiempo de configuración de hasta un 80 %. De un vistazo, el software combina simplicidad, diseño automatizado, importación y validación y un resultado directo en un único proceso.

Los algoritmos de diseño generativo a menudo crean formas orgánicas muy eficientes con celosías de soporte que son costosas o incluso imposibles de fabricar mediante las tecnologías de fabricación convencionales, como el moldeo por inyección o las herramientas de fabricación sustractiva como el mecanizado CNC. Las herramientas de fabricación avanzadas como la impresión 3D (también conocida como fabricación aditiva) son esenciales para los tipos de aplicaciones sensibles al rendimiento en las que esta optimización es impresionante.

La impresión 3D funciona bien combinada con el diseño generativo porque proporciona un medio rápido y flexible de producir un modelo tridimensional de alta resolución de una o más iteraciones de diseño para un producto final rentable. Generalmente, en términos económicos, la rentabilidad de la impresión 3D aumenta junto con la complejidad de una iteración de diseño.

La impresión 3D es más competitiva en costes con volúmenes de producción más bajos, porque no es necesario alcanzar una economía de escala para compensar los costes de configuración. Además, facilita la personalización en masa, lo cual favorece al diseño generativo. A medida que el coste de la impresión 3D continua descendiendo y la variedad de materiales aumenta, la impresión 3D se está volviendo muy práctica en la fabricación de piezas pequeñas y medianas para cada vez más aplicaciones.

Veamos tres ejemplos de cómo el diseño generativo y la impresión 3D trabajan bien juntos en aplicaciones de la vida real.

WHILL, fabricante japonés de vehículos eléctricos, se propuso fabricar una silla de ruedas motorizada más fácil de portar al reducir el peso de la pieza más pesada: la caja de la batería. Al utilizar el software de diseño generativo Fusion 360 de Autodesk, los ingenieros de WHILL pudieron crear un nuevo diseño que redujo el peso de la caja de la batería en un 40 %.

Luego, el equipo de desarrollo de productos utilizó un novedoso proceso de fabricación para hacer realidad el diseño. El equipo dividió el diseño en cuatro partes para poder encajarlo dentro del volumen de impresión de una impresora 3D de estereolitografía de escritorio de Formlabs y luego imprimió las piezas en Castable Wax Resin para la fundición a la cera perdida. Una vez listo, los ingenieros conectaron las piezas y moldearon en arena el diseño para obtener una pieza de metal fundida final. Finalmente, el equipo logró un gran avance como resultado de la impresión 3D interna y del diseño generativo, reduciendo el coste de fabricación final de la silla de ruedas WHILL al disminuir la cantidad total de piezas en el producto.

Al igual que WHILL, New Balance, empresa especializada en la fabricación de calzado, ha logrado importantes avances gracias al uso del diseño generativo y la impresión 3D. Con una visión a largo plazo para la innovación en su línea de calzado personalizada, New Balance se asoció con el estudio de diseño digital Nervous System en 2015 para participar en un proceso de diseño generativo con el fin de desarrollar una entresuela que se adaptase mejor a los datos de rendimiento de un corredor.

Luego, en 2017, New Balance se asoció con Formlabs para desarrollar la Rebound Resin, una resina fotopolimerizable patentada lista para la producción con cinco veces mejor resistencia al desgarro, tres veces mejor resistencia a la rotura por tracción, y dos veces mejor alargamiento en comparación con otros materiales elastoméricos de producción impresos en 3D en el mercado. Juntos, New Balance y Formlabs han conseguido grandes avances en la fabricación de calzado y han ayudado a entregar mejores productos a los usuarios finales. 

Las dos empresas continúan trabajando juntas con el objetivo final de producir en masa zapatos para correr personalizados y hechos a medida para cada cliente mediante el uso del diseño generativo y de nuevos materiales de impresión 3D.

¿No sabes por dónde empezar? Aquí tienes algunos puntos claves que te ayudarán a encontrar el camino correcto:

Empezar es muy fácil. Si conoces las herramientas CAD, no hay un gran cambio de aprendizaje si quieres probar el diseño generativo. El diseño generativo es fácil de utilizar en problemas bien definidos y cerrados. Ahora está integrado en muchos paquetes CAD que ofrecen 30 días de prueba.

Reducir el peso de una pieza ya existente es un proyecto excelente para empezar. Reducir el peso es un buen punto de inicio para optimizar mientras se mantiene el rendimiento, dando por hecho que se han entendido bien las cargas.

Elimina la visión a largo plazo en proyectos más pequeños de I+D. El diseño generativo y la fabricación aditiva requieren diferentes mentalidades y procesos de trabajo de los que sacar provecho. De la noche a la mañana no conseguirás un producto impreso en 3D personalizado y con un rendimiento optimizado, disponible en todo el mundo y a escala. La gran mayoría de los proyectos que tienen éxito parecen una serie de proyectos iterativos estratégicos a lo largo del tiempo.

Busca socios tecnológicos para que aporten experiencia y asistencia. Muchas empresas de software y de fabricación aditiva cuentan con equipos dedicados a asistirte en lo que necesites, como el equipo de Formlabs Factory Solutions. Busca la forma de aprovechar esa experiencia para empezar y aprender rápido.

El diseño generativo juega un papel cada vez más central en el diseño de productos en una amplia gama de industrias. Ya sea porque una empresa busca reducir el peso del soporte del motor de un avión, hacer que una silla de ruedas sea más portátil, o incluso personalizar una zapatilla para correr, el diseño generativo y la impresión 3D están allanando el camino para un futuro totalmente optimizado y personalizado.

A medida que los avances en IA y en la fabricación aditiva continúen ampliando el horizonte de posibilidades del diseño generativo, surgirán más aplicaciones y ventajas de estas innovadoras tecnologías de vanguardia. 

¿Quieres saber más sobre el diseño generativo? Ve el seminario web "Introducción al diseño generativo en la producción de piezas ligeras con la impresión 3D" para ver más ejemplos y tutoriales paso a paso de la Fusion 360 para producir un soporte ligero.