Nociones básicas de optimización topológica: Cómo usar modelos algorítmicos para crear un diseño ligero

¿Dónde se unen el buen diseño y la funcionalidad? A medida que el diseño asistido por ordenador (CAD) sigue evolucionando y técnicas de fabricación avanzada como la impresión 3D ganan popularidad y hacen posible crear piezas complejas de forma más fácil que nunca, los diseñadores y los ingenieros pueden aprovechar el software de optimización topológica para explorar nuevas posibilidades y encontrar nuevas formas de maximizar la eficiencia del diseño.

En esta guía, aprenderás las bases de la optimización topológica, sus ventajas y aplicaciones y con qué herramientas de software puedes empezar a realizarla.

La optimización topológica es un método de optimización de la forma que usa modelos algorítmicos para optimizar la organización del material dentro de un espacio definido por el usuario para un conjunto dado de cargas, condiciones y limitaciones. La optimización topológica maximiza el rendimiento y la eficiencia del diseño eliminando el material sobrante de las zonas que no necesitan soportar cargas considerables para reducir el peso o resolver desafíos de diseño como reducir la resonancia o el esfuerzo térmico.

Los diseños producidos mediante optimización topológica a menudo incluyen formas libres y detalladas que resultan complicadas o imposibles de fabricar con los métodos de producción tradicionales. Sin embargo, los diseños de optimización topológica son perfectos para los procesos de fabricación aditiva que tienen reglas de diseño menos estrictas y que pueden reproducir fácilmente formas complejas sin costes adicionales.

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 elimina el material redundante y 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 optimización topológica suele tener lugar hacia el final del proceso de diseño, cuando la pieza deseada necesita tener un peso menor o usar menos materiales. El diseñador trabaja para descubrir ciertos parámetros preestablecidos, como las cargas aplicadas, el tipo de material, las limitaciones del modelo y su organización en el espacio.

En primer lugar, la optimización topológica estructural determina el espacio de diseño mínimo permisible que es necesario para optimizar la forma del producto. Después, de forma virtual, el software de optimización topológica aplica presión sobre el diseño desde distintos ángulos, pone a prueba su integridad estructural e identifica el material innecesario. 

La técnica más común y más práctica para realizar la optimización topológica es el método de elementos finitos (MEF). En primer lugar, el MEF tiene en cuenta el diseño geométrico para el espacio mínimo permitido (junto con otros factores) y divide el diseño en varias partes. A continuación, pone a prueba cada elemento finito para determinar su rigidez, su conformidad y el material redundante que contiene. Por último, el MEF vuelve a unir las piezas para finalizar el diseño completo.

Validar el diseño implica determinar un umbral para el campo de densidad de los elementos entre un valor de 0 y 1. Un valor de 0 convierte en vacío el material de una región designada de la estructura, mientras que un valor de 1 identifica la región designada como material sólido. Después, el diseñador puede eliminar todo el material innecesario del modelo y finalizar la parte de optimización topológica del diseño.

Antes de la fabricación aditiva, los diseñadores descartaban muchas de las formas complejas que creaba la optimización topológica, ya que fabricarlas no era factible, y su potencial quedaba sin realizarse.

Los ingenieros necesitan un buen motivo para abandonar los métodos clásicos de diseño y fabricación. Si un diseño innovador no cuesta menos, funciona mejor o ahorra tiempo, un fabricante no verá motivos para cambiar. Examinemos las ventajas de la optimización topológica.

Muchas de las geometrías complejas que provienen de la optimización topológica harían que los costes de producción fueran prohibitivos, de usar técnicas de fabricación tradicionales. Al combinarla con la impresión 3D, esta complejidad no genera costes adicionales.

Fabricar piezas impresas en 3D sigue pudiendo ser más caro que sus equivalentes no optimizados y fabricados de forma tradicional, pero estos diseños ligeros pueden ofrecer un mayor ahorro a los fabricantes de otras maneras:

• Una mayor eficiencia del combustible, ya que se necesita menos energía para mover las piezas gracias a su menor fricción (aviones, automóviles)

• Costes de embalaje y transporte más bajos

• Se necesita menos maquinaria pesada para las cadenas de montaje

La optimización topológica puede resolver desafíos comunes del proceso de diseño, como los siguientes:

• Se produce una resonancia cuando la fuerza permitida por una forma en un sistema sobrepasa al sistema. Esto puede provocar deformaciones mecánicas, una reducción de la estructura mecánica y emisiones contaminantes.

• El esfuerzo térmico es cualquier cambio en la temperatura de un material (por la fricción u otros factores) que genera fatiga térmica y deformaciones en un sistema.

A veces, la optimización del diseño involucra a funciones objetivas que compiten entre sí, como la optimización del tamaño y el peso. Por ejemplo, las piezas aeroespaciales se benefician de ser ligeras, pero también deben ser capaces de soportar cantidades ingentes de torsión, esfuerzo y calor. Un algoritmo puede equilibrar un diseño para tener en cuenta cada una de estas funciones objetiva y encontrar el punto óptimo.

Aunque trabajar con software de optimización topológica sigue requiriendo una pericia considerable, las herramientas de optimización topológica pueden producir diseños de alto rendimiento que un ingeniero no podría crear manualmente. Esto significa que se gasta menos tiempo y energía en el diseño en CAD y que se obtienen resultados finales fiables con menos iteraciones del diseño. 

En lo que respecta a la fabricación de las piezas, los procesos de fabricación aditiva también pueden producir piezas finales rápidamente, ya que no requieren utillaje, que puede tardar meses o semanas en llegar para los métodos de fabricación tradicionales.

Crear productos pequeños y ligeros reduce la huella de carbono general de un fabricante al no necesitar tanto material para crearlos. En comparación con las herramientas de fabricación sustractiva, las piezas producidas mediante procesos aditivos también suelen requerir menos materia prima y producen menos desperdicios.

A menudo, el ahorro más importante ocurre a lo largo de toda la vida útil de las piezas. Por ejemplo, las piezas ligeras para los aviones reducen su impacto ecológico al disminuir la necesidad de combustible.

En el fondo, la optimización topológica consiste en eliminar errores. Al llevar a cabo ensayos de esfuerzo, el proceso tiene en cuenta una amplia gama de variables y evita realizar suposiciones arriesgadas que puedan generar productos defectuosos.

Los diseños eficientes, ligeros y de alto rendimiento que son posibles gracias a las técnicas de optimización topológica son válidas en una amplia gama de sectores. 

Debido a la importancia de la reducción de peso, la optimización topológica es una técnica ideal para la ingeniería aeroespacial y la aeronáutica. Por ejemplo, la optimización topológica se ha utilizado para mejorar el diseño de la organización de estructuras de fuselajes, como contrafuertes o soportes para aviones.

Además de hacer las estructuras más ligeras, la optimización topológica puede ayuda a desbloquear el potencial de tecnologías de fabricación avanzadas como la fabricación aditiva o materiales compuestos que son cada vez más populares en el sector. 

En la industria automovilística, la optimización topológica equilibra el atractivo de las piezas ligeras para un uso más eficiente del combustible y mayor potencia con la estabilidad y la resistencia de un cuerpo capaz de soportar torsiones e impactos. 

Aparte del gran ahorro que aporta, la optimización topológica también puede mejorar la seguridad de los pasajeros al definir la forma de la que se derrumba una estructura en un accidente.

La fabricación aditiva es ideal para crear implantes médicos, ya que da a los profesionales de la medicina la capacidad de crear libremente formas, superficies y estructuras porosas. Gracias a la optimización topológica, los diseños pueden incluir estructuras que son más ligeras, ofrecen una osteointegración mejorada y duran más que otros implantes.

Las herramientas de optimización topológica también pueden optimizar los diseños de andamios biodegradables para la ingeniería de tejidos, implantes porosos y productos ortopédicos ligeros. Las aplicaciones de la nanotecnología, como la manipulación celular, la cirugía, los microfluidos y los sistemas ópticos, también utilizan la optimización topológica. 

Los diseñadores están reconociendo cada vez más la versatilidad, la velocidad y las potentes capacidades que ofrece la optimización topológica. Las empresas de software están respondiendo a esta tendencia proporcionando las herramientas necesarias, sea mediante alguna de sus ofertas ya existentes o mediante nuevas soluciones de software.

Estos son algunos ejemplos de software de optimización topológica:

• nTopology ofrece un "conjunto de herramientas único de diseño generativo y capacidades de automatización", que agiliza el proceso de diseño combinando geometrías avanzadas, simulaciones y datos experimentales. Su motor de geometría sirve para diversas aplicaciones: piezas aeroespaciales y automovilísticas, diseños de cascos de fútbol americano y productos sanitarios adaptados a cada paciente, entre otras cosas.

• SOLIDWORKS Simulation Solutions cuenta con la optimización topológica entre sus herramientas de análisis estructural y ofrece múltiples métodos de devolver estos diseños optimizados a un entorno de CAD.

• Autodesk Fusion 360 es una plataforma de CAD basada en la nube que ofrece optimización de la forma y funciones avanzadas para apoyar la verificación de los diseños para la fabricación en herramientas de fabricación tradicionales y digitales, como la impresión 3D.

• Creo 7.0 es un software de diseño generativo que incluye la extensión de optimización topológica generativa, que permite a los usuarios tener en cuenta las limitaciones y los requisitos de los productos, así como "explorar rápidamente opciones de diseño innovadoras para reducir el tiempo y los gastos de desarrollo". 

• Altaire OptiStruct incorpora procesos de optimización y análisis estructural. Se especializa en hacer las estructuras ligeras y eficientes, utilizando un método propio de optimización topológica para el diseño de estructuras reticulares. Su entorno multifísica integrado, que incluye parámetros como la transferencia de calor, vibraciones y acústica, dinámica de rotores, rigidez y estabilidad, ayuda al diseño en ámbitos como la electrónica de consumo, el aeromodelismo y las tecnologías médicas.

• Tosca Structure trabaja en un software de análisis de elementos finitos y dispone de modelos de simulación realistas con la capacidad de cambiar la geometría de forma rápida y fiable. Su capacidad de transformación hace posible optimizar la forma en la malla de elementos finitos existente, evitando pasos intermedios, y es especialmente importante para los diseñadores de estructuras mecánicas.

Los ingenieros cada vez usan más métodos innovadores para diseñar prototipos, piezas de máquinas y bienes de consumo. 

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Fuente de la imagen de la portada: nTopology