Diseño Generativo (Optimización Topológica) con Solid Edge ST10

El nuevo módulo de Diseño Generativo (Generative Design, es decir, Optimización Topológica) es una pieza clave en la familia de herramientas de Diseño Mecánico 3-D de Solid Edge ST10 desarrollado por SIEMENS. El futuro del desarrollo de productos 3-D ya está aquí, ya es una realidad total, y trae consigo una integración perfecta de piezas y cuerpos a base de mallas STL con los componentes B-REP de modelado sólido 3-D más tradicionales.

La tecnología de Modelado Convergente (Convergent Modeling) de Siemens ofrece las mejores soluciones para Diseño Generativo, Fabricación Aditiva e Ingeniería Inversa para superar los desafíos de diseño y los retos de fabricación más extremos y complejos, de la forma más rápida y eficiente.

¿Qué es la Optimización Topológica?

En lugar de gastar gran cantidad de tiempo diseñando piezas o componentes de la manera tradicional incluyendo todos los detalles para cumplir con los numerosos requisitos de diseño, con Generative Design en ST10 simplemente creamos un bloque sólido con el exterior del componente (“boundary box“), seleccionamos el material, añadimos cargas y condiciones de contorno y dejamos que el algoritmo de Optimización Topológica obtenga el diseño óptimo, así de fácil!!.

La Optimización Topológica es un método matemático que optimiza la disposición del material dentro de un dominio conocido, para un set de cargas y condiciones de contorno dadas, de forma que la solución final cumpla con los objetivos de diseño prescritos. Su principal objetivo es el aligeramiento estructural (reducción de masa y volumen) manteniendo las funcionalidades mecánicas del componente objetivo. A diferencia de otros tipos de optimización (de forma “Shaping Optimization” o dimensiones “Sizing Optimization“), la Optimización Topológica ofrece un nuevo concepto de diseño estructural pensado para aplicaciones donde el peso del componente es crucial (por ejemplo, la industria aeroespacial).

En el método tradicional de Diseño de componentes CAD el objetivo del diseñador es que la pieza resista las tensiones de trabajo que sufra durante el servicio y que sea lo más ligera posible para ahorrar costes de material. Así que una vez diseñada la pieza, ésta deberá pasar por un Análisis de Tensiones por Elementos Finitos para asegurar que cumple con todos los requisitos de diseño.

Ahora considera el Diseño Generativo donde gastes un tiempo mínimo en diseñar únicamente lo básico, como zonas de apoyo y aplicación de cargas así como agujeros de amarre, el resto un simple bloque sólido, y dejes que el algoritmo de Optimización Topológica genere el modelo óptimo por tí de forma automática, y que al mismo tiempo realice el análisis de tensiones, antes incluso de tener el modelo finalizado, fácil, ¿eh?.

Cargas y Restricciones

Vamos a ver la importancia de la aplicación de cargas y restricciones en el resultado final que obtengamos con el Diseño Generativo. Vamos a partir de una pieza de Aluminio 1060 donde el agujero central está empotrado y en las superficies exteriores tiene aplicada dos cargas verticales.

Vamos a pedir un ahorro de material del 50%, por tanto pasaremos de tener una masa de 0.131 kg con la pieza original a la mitad, unos 66 grs, usando un coeficiente de seguridad de 1.0 frente al Límite Elástico del aluminio (es decir, que ninguna zona de la pieza final optimizada va a superar el Límite Elástico del material).

Tras pulsar en GENERATE se ejecuta el algoritmo the Optimización Topológica del módulo Generative Design de Solid Edge ST10, el gran FRUSTUM (ver https://www.frustum.com/generative-design).

Por cierto, hablando de FRUSTUM aquí os dejo un par de imágenes de lo que se puede hacer con la tecnología GENERATIVE DESIGN que tenéis en la web de FRUSTUM, impresionante, ¿eh?. Yo espero una evolución muy rápida de la integración del solver FRUSTUM en el módulo GENERATIVE DESIGN de Solid Edge ST10 para que tengamos pronto estas capacidades en un futuro inmediato (por ejemplo, en la siguiente versión de Solid Edge), la evolución va a ser excitante!!.

Volviendo a nuestro ejemplo, el resultado del análisis de Optimización Topológica muestra unas formas orgánicas, con una reducción de material importante allí donde no hay ni cargas ni restricciones. Nótese cómo cambia el resultado si pedimos una mayor o menor reducción de material, el módulo GENERATIVE DESIGN nos proporciona ideas de diseño fundamentales en función de la posición y dirección de las cargas, así como las restricciones aplicadas.

Otro ejemplo: la siguiente imagen muestra el resultado de Optimización Topológica aplicando ahora cargas de “tracción” en todas las superficies exteriores de la pieza. Fijaros cómo la carga presenta 1/4 de simetría, por tanto la solución también presentará la misma simetría de resultados.

¿Y qué pasa si jugamos con las direcciones de las cargas y con el % de reducción de la masa?. La siguiente figura nos muestra cómo progresa la solución de Optimización Topológica en función de la reducción de la masa y de la forma de actuación de la carga: nótese que ahora el plano de simetría es la diagonal.

Generative Design & Synchronous Technology

El siguiente ejemplo es un excelente video de SYNCHRONOUS TECHNOLOGY y GENERATIVE DESIGN trabajando juntos en SOLID EDGE ST10 mostrando cómo realizar Optimización Topológica dentro de Solid Edge ST10 a partir de una pieza creada en otro sistema CAD e importada en Solid Edge en formato STEP (*.stp).

El resultado es impresionante: en cuatro pasos se obtiene de forma fácil y sencilla un ahorro de material superior al 50%. La siguiente imagen muestra la pieza original diseñada usando el método clásico convencional y la pieza optimizada topológicamente con el módulo Generative Design en Solid Edge ST10.

Cargas de Presión y Momento Torsor

En los ejemplos anteriores siempre hemos utilizado cargas tipo fuerza, pero GENERATIVE DESIGN ST10 además también permite aplicar cargas de presión y momento torsor. En el siguiente ejemplo se compara la solución obtenida aplicando cargas de fuerza vs. momento torsor en el interior del disco, empotrando el exterior del disco.

La solución resultante obtenida entre aplicar una fuerza o un momento torsor es claramente diferente:

En el siguiente ejemplo vamos a cambiar la zona de aplicación de cargas y restricciones: las cargas de fuerza, presión y momento torsor ahora se aplican en el exterior del disco y se restringe la superficie interior del agujero.

La solución resultante es muy interesante: la distribución de masa en el caso de la carga de fuerza está muy localizada alrededor del agujero interior (en el empotramiento), siendo mínima en esta zona en el caso de la carga de presión. Esto demuestra que es clave conocer perfectamente qué cargas y condiciones de contorno va a sufrir la pieza en la vida real para que el estudio de optimización topológica sea lo más eficiente posible. Las formas obtenidas me recuerdan la llantas de aleación de los vehículos modernos actuales …

Y ya para terminar con la aplicación de cargas de presión y torsión aquí tenéis otro ejemplo con la comparativa de resultados sobre una pieza esférica sujetando un extremo y aplicando cada una de las cargas anteriores en el extremo opuesto: los resultados son formas orgánicas de gran belleza!!. Fijaros: en el caso de cargas de fuerza o presión normal a la superficie superior la solución óptima de distribución de la masa se alinea en forma de nervios de disposición vertical (las cargas se transmiten como fuerzas de membrana), en cambio en el caso de aplicar una carga de torsión los nervios tienen un disposición en diagonal (las cargas por cortadura aquí son más dominantes) ….

Impresión 3D

Vamos a estudiar la optimización topológica de una pieza de aviación utilizando GENERATIVE DESIGN ST10 y voy a enseñaros cómo imprimirla en 3D: se trata de un soporte metálico que pertenece al mecanismo de control situado en las alas del avión, por tanto es una pieza de gran responsabilidad donde además la reducción de peso es crítica.

Para que el proceso de optimización topológica sea eficiente hay que eliminar aristas vivas aplicando redondeos, de lo contrario quedan “rastros” en el modelo optimizado y estéticamente no queda nada bien. También hay que reforzar manualmente (usando SYNCHRONOUS TECHNOLOGY, una maravilla!) las zonas donde hay que añadir material. Recuerda!, GENERATIVE DESIGN funciona “eliminando” material, nunca “añade” material, así que lo mejor siempre es partir de un “tocho” lo más grande posible para que el algoritmo de optimización topológica trabaje sobre el espacio de diseño sin limitaciones.

En la práctica, lo más funcional es coger la pieza final del diseñador (que contendrá montón de detalles y “features” menores) y a partir de ella (usando esa pieza como referencia) crear un “bloque macizo” utilizando SYNCHRONOUS TECHNOLOGY que se ajuste a las dimensiones de la pieza real, incluyendo únicamente los detalles con las zonas donde se apliquen cargas y restricciones tales como agujeros para soportes, etc.. La siguiente imagen muestra las cargas y condiciones de contorno aplicadas a la pieza:

El estudio de Optimización Topológica se ha realizado en GENERATIVE DESIGN tras imponer una reducción de masa del 84% y una calidad del análisis de 150 (sobre 300) a partir de un material de Acero inoxidable, consiguiendo reducir la masa desde 3.36 kg a poco más de medio kilo. El tiempo de cálculo que pone en pantalla no es significativo, dependiendo de la velocidad del procesador el ordenador puede estar trabajando horas, aquí es importante tener una máquina con un procesador potente con un ciclo de reloj lo más elevado posible (el objetivo es 4.0 GHz) y suficiente memoria RAM (una máquina de ingeniería debería tener al menos 32 GB de RAM). La escalabilidad del solver FRUSTUM es muy buena, aprovecha muy bien el nº de núcleos del procesador, cuantos más núcleos y memoria caché tenga el procesador mejor.

Y el resultado final es el siguiente: una forma orgánica muy chula, sin aristas ni estridencias, bastante compensada. Es importante verificar que si las cargas y geometría son simétricas también la solución de optimización debe ser simétrica, al final todo es cuestión de tiempo de cálculo (es decir, de aumentar la calidad del análisis, yo creo que un valor de 150 es lo mínimo). No penséis que todo es tan fácil e inmediato, no se acierta a la primera ya que son muchas variables, hay que hacer montón de pruebas jugando con la posición de las cargas y restricciones, el nivel de ahorro de material deseado, la calidad del estudio, etc.., y lleva tiempo … aquí una máquina potente es crítica. Y por supuesto, conocer muy bien cómo trabaja la pieza en la vida real para aplicar las cargas y restricciones correctas!!.

También podemos obtener un plot de tensiones en pantalla: no hay valores numéricos, hay que saber interpretarlo, más que resultados cuantitativos son cualitativos. Observando la imagen de tensiones tenemos que ver que el color azul es dominante, y que el color rojo es minoritario (ojo!, siempre habrá color rojo), eso indica que la optimización topológica es correcta. Si aparecen zonas extensas en color rojo te está indicando que el análisis no es correcto, que tienes que conseguir aportar más material en esa zona (es decir, modificar el modelo geométrico de partida), o bajar el nivel de reducción de material solicitado.

Y finalmente ya tenemos el modelo optimizado en SOLID EDGE ST10 listo para mandar a impresora 3D, simplemente es pinchar en 3D PRINT y en PREVIEW te aparece en pantalla la pieza optimizada topológicamente lista para mandar a la impresora 3D, o para EXPORTAR generando un fichero en formato de malla *.STL o *.3MF, o contactar vía ON-LINE con un servicio de impresión, etc..

En resumen, con SOLID EDGE ST10 de forma integral podemos generar todas las tareas necesarias para obtener una pieza diseñada de forma óptima con el menor peso y lo más ligera posible: desde la creación del modelado sólido 3-D, hasta la fabricación en impresora 3-D mediante tecnología aditiva en plástico o metal, pasando por el análisis por Elementos Finitos con el solver NX NASTRAN de SIMULATION donde podremos conocer de forma explícita la resistencia mecánica del componente real y optimizar topológicamente la pieza con el solver FRUSTUM utilizando el módulo GENERATIVE DESIGN para hacerla lo más ligera posible, todo bajo SOLID EDGE ST10, ¿OK?.

Enlaces Interesantes

Espero que este artículo sobre Optimización Topológica con GENERATIVE DESIGN ST10 de SIEMENS os haya resultado útil e interesante, cualquier pregunta no dudéis en consultarme, encantado de responderos – Gracias!.

Saludos,
Blas.