Otimização Topológica: Como reduzir custos com matéria-prima e superar a crise
A indústria se reinventa constantemente, por isso, a busca por soluções que atendam a crescente necessidade de redução de custos e aprimoramento da qualidade exige a definição de um produto ideal. Este produto deve apresentar uma geometria que resista aos esforços impostos, como condição de trabalho, somado a necessidade de ser acessível, leve e com a menor complexidade possível. Como estes objetivos são conflitantes, (normalmente adicionamos massa em um determinado componente para incrementar a rigidez e, consequentemente, a resistência) encontrar o modelo ideal exige a avaliação de dezenas ou centenas de diferentes configurações até que se determine um perfil que atenda às condições citadas. Esse processo pode ser realizado através de corpos de prova e ensaios, entretanto, o custo para projetar, produzir e testar as diferentes geometrias, além do tempo disponibilizado para todo esse ciclo, torna o processo impeditivo. A execução virtual deste processo passa a ser a opção ideal, com custo e tempo extremamente reduzidos. Com a ferramenta de otimização topológica é possível projetar componentes duráveis e leves para qualquer aplicação, tornando-se um excelente caminho a seguir no desenvolvimento e atualização de produtos.
Para atender este conceito de avaliação virtual, algumas ferramentas de otimização são a chave para a execução automatizada desse procedimento. Na otimização paramétrica, são definidas diferentes dimensões de referência (espessuras, raios, diâmetros, etc.) que avaliadas sequencialmente resultam na definição de uma geometria ideal. Já a otimização topológica é utilizada quando não existe um perfil previamente estabelecido para a geometria, assim, o processo de otimização é realizado com base em um modelo inicial genérico.
A utilização da otimização topológica passa a ser parte fundamental deste conceito de modelo ideal, uma vez que define a geometria conceitual que será posteriormente testada fisicamente. O processo é realizado da seguinte forma:
Conhecidas as condições de esforços e restrições em que o componente está submetido, é definida uma geometria inicial, com perfil genérico, como referência para a avaliação estrutural. Baseado nas reações do sistema aos carregamentos impostos, o algoritmo de otimização topológica entra em ação, avaliando e excluindo os elementos de malha que não apresentam função estrutural. Esta estrutura final, com perfil definido pelo otimizador topológico, é então reavaliada em uma análise estrutural, validando o processo.
Figura 1 – Processo de otimização baseado em uma geometria genérica.
Aprovada a geometria, é possível criar o protótipo via impressão 3D em polímero. Esta é a etapa que converte um modelo virtual em um modelo físico e, a partir desse ponto, as opções são inúmeras. Uma possibilidade interessante, por exemplo, passa ser a capacidade de converter a geometria em um molde de fundição. Em duas etapas, é possível converter um modelo virtual em um corpo de prova, permitindo a avaliação de diferentes ensaios mecânicos que irão validar o novo conceito proposto.
Figura 2 – Otimização topológica na interface do ANSYS Mechanical.
Esta execução pode ser ainda mais efetiva, pois atualmente cada vez mais empresas já estão utilizando equipamentos de impressão 3D de metais. Veja o exemplo da GE Aviation. A empresa possui componentes geometricamente complexos, projetados para atender o limite da eficiência operacional. O processo produtivo convencional, entretanto, passa a ser um limitador em projetos de otimização de novos componentes. A empresa apresenta como exemplo desta condição a Ponteira de Injeção de Combustível em Turbinas (LEAP Fuel Nozzle Tip), que apresenta em sua concepção original, um processo de usinagem de 20 diferentes componentes que são unidos posteriormente para montagem da peça. Através do processo de impressão 3D o resultado é um componente único, produzido por impressão sequencial, com durabilidade cinco vezes superior a peça usinada e peso 25% menor. Veja o vídeo de demonstração desse processo de manufatura aditiva.
Obviamente que nem tudo é perfeito. O processo de impressão 3D de metais ainda possui certas limitações, especialmente relacionadas a acabamento superficial, velocidade de impressão, distorções térmicas e capacidade de manutenção das propriedades mecânicas do material durante o processo. O conceito, entretanto, está lançado e avanços ocorrem a cada dia na busca de um processo que alcance os níveis de qualidade e confiabilidade de um componente usinado.
Se a impressão 3D em metais ainda não é uma realidade no Brasil, ou está limitada a multinacionais e institutos de pesquisa, a otimização topológica já é uma realidade. Inúmeras empresas estão utilizando softwares específicos para projetar equipamentos mais leves, mais eficientes e confiáveis de forma a avançar nessa jornada eterna de redução de custos e de aprimoramento contínuo.
A grande notícia do inicio de 2017 em relação à otimização topológica é a liberação gratuita da ferramenta Topologic Optimization para todos os clientes que possuam licenças Ansys Mechanical e que atualizem a versão 18 do software (a ferramenta Design Exploration de otimização paramétrica também será disponibilizada gratuitamente para quem possui as licenças Mechanical ativas). A interface do Ansys Workbench integra o modelo original da análise com a ferramenta de otimização topológica, vinculando na sequência, o software SpaceClaim para preparação da geometria otimizada definida. Por fim, transfere esse novo perfil geométrico para validação novamente na interface do Ansys Mechanical. Um excelente vídeo de demonstração foi criado para apresentar esse procedimento.
É muito importante que cada vez mais empresas tenham um contato com essa nova ideologia de projetos, utilizando tecnologia para criar novos produtos, reduzindo a prática da tentativa e erro. A otimização é uma ferramenta de vanguarda da engenharia e um ótimo caminho a seguir no desenvolvimento de novos produtos e na atualização de modelos que apresentem alto custo de produção e baixa eficiência.
