Cómo diseñar para la fabricación Aditiva: ¡Los expertos dan sus consejos!

Como sabrá, una pieza de mecanizado no está diseñada de la misma manera que una pieza impresa en 3D: cada proceso de fabricación está asociado con una técnica de diseño. En la fabricación aditiva, existen reglas y herramientas de diseño muy específicas que le permitirán crear un diseño optimizado, listo para la impresión 3D. Estos métodos generalmente se agrupan bajo el término Diseño para Fabricación Aditiva (DfAM), desarrollado para optimizar el rendimiento funcional de la pieza en la medida de lo posible, pero también su costo, confiabilidad y otras consideraciones del ciclo de vida del producto. Hoy en día se utilizan varias técnicas, como el diseño generativo, la optimización de topología o la creación de estructuras de celosía. ¿Cómo elegir el método de diseño adecuado para optimizar todo el proceso de diseño de una pieza impresa en 3D? ¡Pedimos a tres expertos en fabricación aditiva su opinión sobre el asunto!

Para responder a los problemas relacionados con DfAM, hicimos algunas preguntas a Ravi Kunju, Vicepresidente Senior de Estrategia y Desarrollo de Negocios de Altair; Daniel Pyzak, Director del Centro de Competencias CATIA para EMEA de Dassault Systèmes; y por último, pero no menos importante, Peter Rogers, Especialista de Productos APAC para Fabricación Aditiva de Autodesk.

Ravi Kunju
Daniel Pyzak
Peter Rogers

Lo que determina que DfAM técnica es la más utilizada?

Para algunos contextos, el DfAM surgió debido a la enorme libertad de diseño y las capacidades únicas proporcionadas por las tecnologías AM, en oposición a los métodos tradicionales como el mecanizado CNC, donde algunos diseños son simplemente imposibles de fabricar. Peter Rogers profundiza en este punto: «Para el aditivo, la pregunta ‘¿Podemos hacer eso? a menudo se responde con un «sí». Si bien es factible hacer algo, no significa que deba hacerse de esa manera. Los equipos de producción y fabricación están desarrollando su comprensión de las mejores prácticas en torno a la AM.»

Para empezar, es importante recordar que las técnicas de diseño elegidas dependerán de la tecnología utilizada. Ravi Kunju es bastante claro: «Es el proceso el que dicta cómo se prepara una pieza y cómo se termina.»Si tiene una impresora 3D FDM, no creará su pieza de la misma manera que si tuviera una impresora 3D metálica o SLS. A partir de la tecnología en sí, evitará ciertos errores y esto le permitirá optimizar mejor el acabado de su superficie, maximizar las propiedades mecánicas de su pieza y facilitar su limpieza, lo que a su vez significa ahorrar tiempo, material y dinero. Daniel Pyzak de Dassault añade: «Hay muchas reglas a seguir durante la etapa de diseño para obtener un diseño adecuado para la impresión 3D: estas reglas dependen en gran medida de la máquina (tamaño de la capacidad, tipo de tecnología, material, etc.).) «

Tomemos, por ejemplo, la impresión 3D de metal y, más precisamente, la tecnología de fusión de lecho de polvo Láser. Ravi Kunju explica: «Por ejemplo, en un proceso de fusión selectiva por láser para imprimir metal, se requiere una estructura de soporte cuando se imprimen superficies que están por debajo de los 45 grados. De lo contrario, la calidad de la superficie hacia abajo puede ser muy pobre. Las estructuras de soporte son caras de imprimir y quitar, teniendo en cuenta que deben restarse de la parte final. El mejor enfoque es crear diseños que tengan estructuras de soporte mínimas. Se debe agregar una restricción para asegurar que la estructura que se genera tenga superficies bien por encima del ángulo de 45 grados desde la horizontal.»Minimizar el número de soportes es, por lo tanto, un paso importante en DfAM, un punto que también se puede aplicar a otras tecnologías de impresión 3D.

 Diseño para Fabricación Aditiva

Peter Rogers explica que una nueva y emocionante tecnología puede comparar los resultados si se utilizan la impresión 3D, el mecanizado de 2,5, 3, 5 ejes y otros métodos de fabricación para determinar qué piezas son adecuadas para AM | Créditos: Autodesk

¿Cuál es el Diseño para las técnicas de fabricación Aditiva?

Comprender cómo se utilizará una pieza y cuál es su propósito es de importancia clave a la hora de elegir qué técnica(s) de diseño aplicar; en otras palabras, DfAM es una excelente manera de agregar funcionalidad. Peter Rogers explica con más detalle: «Por ejemplo, hay un fuerte enfoque en el diseño generativo y la optimización de la topología para piezas de misión crítica de aviación y aeroespacial, que en parte se debe al requisito de poder realizar inspecciones de grietas fáciles. Con las celosías, las secciones internas no se pueden inspeccionar fácilmente, lo que significaría que las desventajas continuas superarían los beneficios. Sin embargo, en los dispositivos médicos, la forma está relativamente establecida en su lugar, y las celosías son más funcionales para la osteointegración, por lo que la mayoría de los DfAM se realizan utilizando celosías.»

Lo más probable es que haya oído hablar de optimización de topología y diseño generativo antes. De hecho, ambas técnicas a menudo están asociadas. Daniel Pyzak explica: «Son tecnologías de diseño para ingeniería ligera que sirven a múltiples procesos de fabricación: fresado, fundición y fabricación aditiva.»En resumen, el objetivo final del diseño generativo es llegar a un diseño que cumpla con los requisitos de rendimiento mejor, más rápido y más ligero, utilizando métodos computacionales y recursos disponibles. La optimización de topología no es otra cosa que un método de diseño generativo probado que se centra en optimizar la distribución de materiales utilizando métodos numéricos sólidos. Las formas optimizadas que obtiene de la optimización de topología a menudo son imposibles de fabricar utilizando procesos tradicionales.

Sin embargo, Ravi Kunju agrega que puede ser costoso, lento e incluso subóptimo alterar diseños y explorar cada variación infinitamente. «Si hay demasiadas limitaciones, es posible que nunca se llegue a una solución óptima. Hay muchas técnicas y métodos numéricos disponibles para impulsar los diseños, como DOE (diseño de experimentos), métodos estocásticos, algoritmos genéticos, redes neuronales, etc., todos los cuales tienen sus fortalezas y debilidades y se pueden clasificar como estudio de diseño y síntesis (DSS).»

Diseño para Fabricación Aditiva

Gracias a las soluciones de software de Altair, AP Works (una filial de Airbus) diseñó un marco impreso en 3D para su motocicleta. Con la optimización de topología, pudieron reducir el peso final de la pieza en un 30% | Créditos: Altair

Finalmente, nuestros expertos se centraron en el concepto de estructuras de celosía, que es una forma de optimización ya que tiene como objetivo reducir el peso de una pieza manteniendo su integridad estructural. El enrejado funciona creando una red de mallas y nudos que a menudo se comparan con una estructura de panal, un diseño que es difícil de obtener utilizando métodos de fabricación tradicionales. Las ventajas de un diseño de este tipo son muchas, pero el punto principal a recordar es que ofrecen una relación óptima de resistencia a peso. Esta técnica también ofrece absorción de impactos y protección contra impactos, especialmente interesante en el ciclismo, por ejemplo.

 Diseño para fabricación aditiva

Ejemplo de estructura de celosía diseñada con el software | Créditos CATIA de Dassault Systèmes: Dassault Systèmes

¿Cuál es el impacto de las técnicas DfAM en el posprocesamiento?

Para la mayoría de los usuarios, el posprocesamiento a menudo se considera un proceso difícil y que consume mucho tiempo. Por eso es importante minimizar estos pasos tanto como sea posible, desde el principio del proceso de diseño. Ravi Kunju explica que hay tres tipos principales de tratamiento posterior para la impresión 3D: térmico, mecánico y termomecánico. «El posprocesamiento térmico alivia la parte de las tensiones residuales y, en algunos casos, altera la estructura del grano. El postprocesamiento mecánico elimina la estructura de soporte y los orificios de acabado/taladrado/fresado, etc. El postprocesamiento termomecánico podría ser como el prensado iso-estático en caliente (HIP).»

En realidad, Daniel Pyzak aconseja reducir el número de soportes de impresión 3D (o incluso eliminarlos), especialmente en la fabricación aditiva de metales. Añade: «Otra forma es integrar estos soportes (este es el trabajo del diseñador, no del operador de la máquina) en el diseño de la pieza en sí. Aquí, no hay necesidad de quitarlos! Hoy en día, hay muy pocas piezas que se diseñan de esta manera, pero definitivamente es una idea prometedora.»

Diseño para Fabricación aditiva

Otro ejemplo de los resultados del diseño generativo, consolidando 8 componentes en 1 parte | Créditos: Autodesk

Peter Rogers concluye: «Incorporar el conocimiento de la AM lo antes posible en el proceso de diseño inicial será la clave para aprovechar mejor el hardware. En las grandes organizaciones puede ser difícil, por lo que reunir un grupo de trabajo con personas de diversos orígenes puede ayudar a encontrar formas nuevas e innovadoras de mejorar las piezas y convertir lo que se implementó originalmente como tecnología de «liderazgo intelectual» en una tecnología de producción irremplazable.»

*Créditos de imagen de portada: HP / Motus

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