La optimización topológica en la impresión 3D

La fabricación aditiva, a diferencia de las técnicas de mecanizado tradicionales, permite producir piezas con geometrías complejas. El peso total de las mismas se puede optimizar mediante un método digital denominado «optimización topológica». Esto también maximiza la resistencia mecánica de la pieza creada. La optimización topológica es, de hecho, un subcampo del diseño digital que permite encontrar, gracias a fórmulas matemáticas, la distribución óptima de material en un volumen determinado sometido a tensiones mecánicas más o menos significativas.

La optimización topológica, por tanto, consiste en utilizar un software concreto para «eliminar» el material que no posee los soportes. Entre los programas más conocidos se encuentran las soluciones Ansys Discovery, Tosca de Dassault Systèmes, Within Labs de Autodesk, Inspire de SolidThinking, Netfabb y Simufact Additive.

El proceso de diseño a través de la optimización topológica

¿Cómo funciona la optimización topológica?

Los procesos tradicionales de diseño digital conllevan aplicar cargas a una pieza ya fabricada y evaluar dónde se está debilitando. Luego, los ingenieros deben repensar el diseño hasta que la pieza cumpla con las restricciones mecánicas dadas. Con la optimización topológica, el sentido es diferente: las cargas mecánicas son los datos de entrada que permitirán al software proponer una nueva geometría de la pieza. Así, en principio hay menos iteraciones, lo que reduce considerablemente los tiempos de diseño y fabricación.

La optimización topológica comienza con la creación de un modelo 3D en la fase de borrador, en el que se aplicaran las diferentes cargas o fuerzas para la pieza (una presión sobre las lengüetas de sujeción, por ejemplo). Después, el software se encarga de calcular todas las tensiones aplicadas.

En este nivel, se puede realizar un corte de la pieza con el fin de retirar las partes no sometidas a las fuerzas. La geometría final, que cumple con los requisitos mecánicos y de diseño, se puede obtener finalmente después de alisar la pieza. De esta forma, la optimización topológica responde a la necesidad de reducción de masa además del aumento de la resistencia mecánica de la pieza.

Créditos: Frustum/3D Systems

Los softwares dedicados a la optimización topológica

No todos los software CAD ofrecen esta función de optimización topológica. Aunque no se utiliza necesariamente en el proceso de modelado y fabricación, puede ser mejor optar por un programa que la incluya, para asegurarse de diseñar una pieza óptima. Es por ello que algunas empresas han decidido desarrollar un software dedicado a este proceso. Uno de los pioneros es sin duda Altair, con su solución OptiStruct, que luego llevó a otra solución, Altair Inspire. También existen otras opciones como la de Ansys, Dassault Systèmes, Autodesk o incluso nTopology. Además, hay muchos programas de CAD que integran funciones para optimizar las piezas, como Solidworks, Creo o Fusion 360.

Elegir un software de optimización topológica es, por tanto, un paso clave ya que la herramienta va a definir las limitaciones de la pieza de acuerdo con el material de fabricación, las propiedades geométricas y las cargas mecánicas impuestas. Analizará los diferentes casos de carga, hasta en casos extremos. También se tendrá en cuenta el espacio disponible para el diseño así como las áreas a no modificar. Por tanto, el programa será el mejor aliado en esta etapa de diseño.

Hoy en día existen varias soluciones de software para la optimización topológica.

¿Quién utiliza esta tecnología y con qué fin?

La industria automotriz abordó rápidamente este problema debido a la reducción de costes mediante el ahorro en materias primas asociadas con los tamaños de serie. De hecho, la reducción de unos pocos gramos por cada vehículo, en una producción de varios millones de unidades, representa toneladas de material ahorrado. Como ejemplo de esto tenemos el chasis impreso en 3D del Light Rider, una pieza que pesa solo 6 kilos gracias a una distribución óptima del material. Más recientemente, está la parte de suspensión del Fiat Chrysler Automobiles, que reúne más de 12 componentes diferentes en uno mismo. Al centrarse en la optimización topológica, los diseñadores redujeron su peso final en un 36%.

La aeronáutica es sin duda otro sector interesado en la optimización topológica, con el objetivo de reducir costes indirectos. Un avión más ligero consume menos combustible, lo que, a la larga, genera importantes ahorros para una aerolínea. Esto es lo que el diseñador Andreas Bastian demostró con sus asientos de avión. Los diseñó un 54% más ligeros, que, en su conjunto, supondría una reducción muy significativa del peso de un avión. Más allá del peso, la optimización topológica permite, especialmente al sector aeronáutico, imaginar formas mucho más complejas ya que la industria se libera de las limitaciones impuestas por los moldes.

En el sector médico, la optimización topológica permite diseñar implantes más resistentes | Créditos: Nuvasive

Por último, la medicina también está investigando este método de diseño, especialmente para la fabricación de implantes a medida. La optimización topológica permite imitar la densidad y rigidez de los huesos, al tiempo que reduce su peso total. De hecho, muchos implantes incorporan estructuras de celosía y siguen siendo tan sólidos como los diseñados tradicionalmente, o incluso más para algunos.

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