Optimización Topológica: Cómo reducir sus costes con materia prima y superar más rápidamente la crisis
La industria se reinventa constantemente, por eso, la búsqueda por soluciones que atiendan a la creciente necesidad de reducción de costes y perfeccionamiento de la calidad exige la definición de un producto ideal. Este producto debe presentar una geometría que resista a los esfuerzos impuestos, como condición de trabajo, sumado a la necesidad de ser accesible, liviano y con la menor complejidad posible. Como estos objetivos están en conflicto, (normalmente añadimos masa a un determinado componente para aumentar la rigidez y, consecuentemente, la resistencia) encontrar el modelo ideal exige la evaluación de decenas o centenas de diferentes configuraciones hasta que se determine un perfil que atienda a las condiciones citadas. Se puede realizar este proceso a través de cuerpos de prueba y ensayos, con todo, el coste para proyectar, producir y probar las diferentes geometrías, además del tiempo hecho disponible para todo ese ciclo, torna el proceso impeditivo. La ejecución virtual de este proceso pasa a ser la opción ideal, con coste y tiempo extremamente reducidos.
Para atender a este concepto de evaluación virtual, algunas herramientas de optimización son la clave para la ejecución autorizada de este procedimiento. En la optimización paramétrica, se definen diferentes dimensiones de referencia (espesura, rayos, diámetros, etc.) que, evaluadas secuencialmente, resultan en la definición de una geometría ideal. Ya la optimización topológica es utilizada cuando no hay un perfil previamente establecido para la geometría, así, el proceso de optimización se realiza con base en un modelo inicial genérico.
La utilización de la optimización topológica pasa a ser parte fundamental de este concepto de modelo ideal, una vez que define la geometría conceptual que será posteriormente probada físicamente. Se realiza el proceso de la forma a continuación:
Conocidas las condiciones de esfuerzos y restricciones en que el componente está sometido, se define una geometría inicial, con perfil genérico como referencia para la evaluación estructural. Con base en las reacciones del sistema a los cargamentos impuestos, el algoritmo de optimización topológica entra en acción, evaluando y excluyendo los elementos de malla que no presentan función estructural. Esta estructura final, con perfil definido por el optimizador topológico, es entonces evaluada en un análisis estructural, validando el proceso.
Figura 1 – Proceso de optimización con base en una geometría genérica.
Aprobada la geometría, es posible entonces crear el prototipo vía impresión 3D en polímero. ¡Esta es la etapa que convierte un modelo virtual en un modelo físico y, a partir de este punto, las opciones son varias! Una posibilidad interesante, por ejemplo, pasa a ser la capacidad de convertir la geometría en un molde de fundición. En dos etapas, es posible convertir un modelo virtual en un cuerpo de prueba, permitiendo la evaluación de diferentes ensayos mecánicos que validarán el nuevo concepto propuesto.
Figura 2 – Optimización topológica en la interfaz del Ansys Mehchanical.
Pero esa ejecución puede ser aún más efectiva a la medida en que, actualmente, empresas ya siguen utilizando equipos de impresión 3D de metales. Observe el ejemplo de GE Aviation. La empresa posee componentes geométricamente complejos, proyectados para atender al límite de la eficiencia operativa. El proceso productivo convencional, con todo, pasa a ser un limitador en proyectos de optimización de nuevos componentes. La empresa presenta como ejemplo de esta condición la Puntera de Inyección de Combustible en Turbinas (LEAP Fuel Nozzle Tip), que presenta en su concepción original un proceso de mecanizado de 20 diferentes componentes que se unen posteriormente para montaje de la pieza. A través del proceso de impresión 3D, el resultado es un componente único, producido por impresión secuencial, con durabilidad cinco veces superior a la pieza mecanizada y peso el 25% menor. El video de demostración de este proceso de manufactura aditiva puede ser observado en el enlace.
Obviamente que ni todo es perfecto. El proceso de impresión 3D de metales posee todavía determinadas limitaciones, especialmente relacionadas al remate superficial, velocidad de impresión, distorsiones térmicas y capacidad de mantenimiento de las propiedades mecánicas del material durante el proceso. El concepto, con todo, está lanzado y avances ocurren a cada día en la búsqueda de un proceso que alcance los niveles de calidad y fiabilidad de un componente mecanizado.
Si la impresión 3D en metales no es todavía una realidad en Brasil, o se limita a multinacionales e a institutos de investigación, la optimización topológica ya es una realidad. Innumerables empresas siguen utilizando softwares específicos para proyectar equipos más livianos, más eficientes y fiables, de forma a avanzar en esta jornada eterna de reducción de costes y de perfeccionamiento continuo.
La grande noticia del inicio de 2017 con respecto a la optimización topológica es la liberación gratuita de la herramienta Topologic Optimization para todos los clientes que posean licencias Ansys Mechanical y que actualicen la versión 18 del software (¡la herramienta Design Exploration de optimización paramétrica también será hecha disponible gratuitamente para quien posee las licencias Mechanical activas!)
La interfaz del Ansys Workbench integra el modelo original del análisis con la herramienta de optimización topológica, vinculando en la secuencia el software SpaceClaim para preparación de la geometría optimizada definida. Por fin, transfiere ese nuevo perfil geométrico para validación otra vez en la interfaz del Ansys Mechanical. Un excelente video de demostración fue creado para presentar ese procedimiento, y puede ser visualizado en el enlace.
Deseamos que todas las empresas tengan un contacto con esa nueva ideología de proyectos, utilizando tecnología para crear nuevos productos, reduciendo la vieja práctica de la tentativa y error. La optimización es una herramienta de vanguardia de la ingeniería y un óptimo camino a seguir en el desarrollo de nuevos productos y en la utilización de modelos que presenten alto coste de producción y baja eficiencia.
