Imagine una mesa con patas sinuosas que se asemejan a la forma retorcida de un tronco de ciprés de pantano invertido. Esas patas que fluyen podrían hacer que la mesa sea más fuerte, más capaz de manejar lo que alguien apile sobre ella.
Los investigadores de Sandia National Laboratories creen que tales diseños con forma orgánica, logrados a través de una tecnología llamada optimización de topología, podrían permitir mejores piezas para los sistemas de seguridad nacional y otros usos vitales. Junto con la fabricación aditiva avanzada, familiar para la mayoría de las personas en su encarnación de impresión 3D, abre posibilidades para formas complejas que los métodos de fabricación convencionales no pueden manejar. Asociar las tecnologías también ofrece el potencial de incorporar sensores o cableado dentro de una estructura a medida que forma o combina partes para ahorrar tiempo y dinero, reduciendo el número de juntas u otrosinterfaces que podrían ser puntos de falla.
Sin embargo, antes de que las técnicas puedan emplearse ampliamente en usos de alta confiabilidad y alta consecuencia, los investigadores deben comprender cómo crear las mejores formas y garantizar las propiedades del material.
"Hay aspectos de este matrimonio entre la fabricación aditiva y la optimización de la topología que serán críticos para nosotros si realmente lo vamos a hacer bien", dijo el gerente de Simulation Modeling Sciences, Ted Blacker.es fabricar las mismas piezas viejas de una manera nueva, aprovechando solo una fracción de lo que es posible en la fabricación aditiva. Y si fabrica estas piezas óptimas nuevas pero no puede garantizar la calidad del material, no sirven de nada ".
Sandia está bien adaptada para abordar el problema debido a su experiencia en mecánica computacional y herramientas de análisis que desarrolló en códigos de ingeniería como Sierra y Alegra, herramientas de modelado como Cubit y experiencia en computadoras de alto rendimiento. Sandia también tiene experiencia enmanejando grandes cantidades de datos, personas que saben cómo escribir y ajustar códigos, habilidad en la ciencia de los materiales y una historia de inventar técnicas de fabricación aditiva. En la década de 1990, Sandia desarrolló el Laser Engineered Net Shaping LENS, un proceso para imprimir piezas metálicas complejasa partir de polvos y Robocasting, un proceso tridimensional que fuerza la suspensión de cerámica a través de una aguja presurizada para formar una parte que se quema en un horno para endurecerla. Ambos procesos se han comercializado.
La fabricación aditiva maneja formas complejas
La fabricación aditiva abarca técnicas para hacer piezas o conjuntos completos en plástico, cerámica y metal. "Necesitamos desarrollar herramientas computacionales que nos permitan dar el salto a nuevos tipos de diseños, herramientas que harán sistemas modernos de diseño asistido por computadoraparece tan pintoresco como las mesas de dibujo y los cuadrados en T ", dijo Andre Claudet, gerente del departamento de Sistemas Mecánicos de Precisión.
Sandia está particularmente interesada en un proceso avanzado de aditivos metálicos que utiliza un láser para fundir capas sucesivas de polvo metálico para construir formas. Tiene el potencial de hacer componentes que funcionen mejor y pesen menos. Sin embargo, el proceso altera la microestructura de un material,lo que puede afectar drásticamente sus propiedades y el rendimiento de las piezas. Los investigadores deben comprender cómo las temperaturas extremas y las tasas de calentamiento y enfriamiento afectan las propiedades del material.
La mayor barrera para los nuevos materiales es comprender sus propiedades lo suficientemente bien como para certificar que cumplen con los requisitos rigurosos para usos de alta consecuencia. El aseguramiento de los materiales, una clave para la certificación y calificación, es "el primer obstáculo más inmediato que debemos superar", Dijo Claudet.
Las características importantes del material, como la resistencia o la capacidad de resistir el estrés, dependen de muchas cosas, incluida la forma en que la estructura interna de un material se ve afectada por los cambios de fase; para una analogía simple, piense que el hielo se derrite en agua y luego se congela nuevamente en hielo.
Las piezas deben cumplir con múltiples requisitos de rendimiento mecánico, térmico o de vibración, particularmente crucial cuando algo está destinado a un arma nuclear, un satélite o un avión ". ¿Cómo verifica realmente que el material es lo que desea? Para algunas aplicaciones esno es un gran problema. Para el hardware de alta consecuencia es un gran problema ", dijo Bradley Jared, quien trabaja en el departamento de Recubrimientos y Fabricación Aditiva.
Las técnicas juntas podrían ahorrar material, tiempo y dinero
El uso de la fabricación aditiva con optimización de topología podría permitir que varias partes se combinen en una sola, ahorrando material, eliminando posibles puntos débiles y eliminando la necesidad de modelar lo que podría suceder en esas interfaces, dijo. "De repente, ha simplificado una parte parasimulación, para pruebas y calificación ", dijo.
La fabricación aditiva también es eficiente para la producción de bajo volumen. Es especialmente convincente al principio del desarrollo del producto porque los cambios frecuentes de diseño pueden evaluarse rápidamente, dijo Jared.
La técnica podría ahorrar tiempo y dinero a corto plazo en herramientas, accesorios y plantillas utilizadas para fabricar componentes, ya que la mayoría de los artículos de herramientas no tienen que estar certificados como una parte real, dijo el gerente sénior de Ciencia y Tecnología de Ingeniería y Fabricación de MaterialesMark Smith. "Ya estamos haciendo un uso muy extenso de aditivos en esas áreas", dijo.
La certificación de los materiales funcionará según lo esperado requiere experimentos usando instrumentos para comprender lo que está sucediendo y cálculos sofisticados para verificar que las propiedades del material cumplan con las especificaciones. Para simulaciones precisas, los investigadores deben identificar lo que sucede cuando la técnica establece capas sucesivas, pero es difícil medir temperaturasen capas inferiores a medida que se forman otras capas en la parte superior.
"No podemos incrustar nada en esas capas inferiores porque eso cambiaría el comportamiento", dijo Anthony Geller, gerente del departamento de Procesos de fluidos y reactivos, que modela y simula flujos de fluidos y multifases. Simulaciones, destinadas a calcularLos resultados mundiales usando computadoras grandes pueden predecir temperaturas en capas inaccesibles o estudiar parámetros como la distribución del tamaño de partícula que sería difícil y costoso de examinar solo con experimentos. Los experimentos pueden validar el modelo.
El análisis de ingeniería para predecir formas óptimas aprovecha al máximo la fabricación aditiva, pero plantea un problema computacional extremadamente difícil. Las cargas estáticas, algo sentado sobre una mesa, son fáciles de incluir. Las cargas dinámicas, alguien saltando sobre la mesa, no son.
Los diagnósticos podrían incluir una cámara térmica para aprender sobre el proceso de fusión y la metalurgia. Algunos estudios han utilizado cámaras ópticas para ver cómo se desembolsa el polvo en una capa y para estudiar el proceso de colocación.
"En este momento no tenemos mucha información saliendo de la máquina y del proceso", dijo Jared. "No sabemos lo que no sabemos".
Las propiedades de la microestructura tal vez podrían adaptarse
Comprender cómo las formas de los materiales podrían conducir a propiedades de microestructura a medida.
"Para que pueda tener diferentes materiales, diferentes microestructuras, diferentes propiedades en diferentes regiones que se pueden incorporar como parte del proceso de diseño si podemos entenderlo lo suficientemente bien", dijo Smith. "Esa es una especie de visión a largo plazo:No solo diseñaría la geometría, sino que en realidad diseñaría la microestructura de la pieza a medida que la construye ".
Los ingenieros de hoy en día a veces se sobrecargan porque no están seguros acerca de las propiedades del material. Sin embargo, la optimización de la topología asume ciertas propiedades ya que sigue las especificaciones de diseño ". La optimización dice que si tenemos ese puntal curvo pequeño que es muy delgado, ese es todo el material que realmente necesitanecesitamos cargar la carga ", dijo Geller." Pero si tenemos que hacerla más gruesa debido a nuestra incertidumbre, estamos perdiendo ese beneficio ".
Blacker dijo que Sandia está trabajando en una "optimización robusta", permitiendo que los cálculos obtengan una forma que cumpla los requisitos con incertidumbres punto por punto en las propiedades del material o en las condiciones de carga. Dicha cuantificación de la incertidumbre determina la probabilidad de resultados cuando algunos aspectos de unproblema no se conoce, y predice resultados en un sentido estadístico.
Con la optimización de la topología, los ingenieros comienzan con un espacio permitido, el área donde cabe la pieza, luego especifican los requisitos funcionales, "qué tan pesados permitirán que sea, qué material quieren usar, las cargas y las restricciones,"Blacker dijo." Permiten los cálculos de optimización para determinar dónde se necesita el material, colocando el material solo donde se utilizará de manera más efectiva para satisfacer las demandas de diseño ".
Los diseños son impulsados por las funciones requeridas
Por lo tanto, un diseñador ya no se enfoca en crear una forma, sino que impulsa el diseño por la función requerida, quizás eligiendo compensaciones entre requisitos tales como la rigidez y la capacidad de conducir el calor. Priorizar la rigidez produce una estructura en forma de concha, con material empujado hacia afuerapara maximizar la rigidez. Hacer que la transferencia térmica sea más importante produce una estructura con patas más masivas, caminos naturales para el calor. Si la rigidez y la transferencia de calor son igualmente importantes, el resultado es una estructura tipo truss que agrega rigidez pero aún tiene material en las patas.
Los diseñadores le dicen al programa: "'Aquí están mis requisitos de ingeniería; usted crea mi geometría para mí', una revolución importante en la forma en que diseñamos", dijo Blacker.
La optimización de la topología requiere un juicio de ingeniería y una reflexión exhaustiva sobre el problema completo. Parámetros como el control del tamaño de la función si se obtiene un tronco de árbol o una estructura similar a una telaraña que sostiene una mesa. Eso significa que los diseñadores deben especificar el problema con cuidado. Por ejemplo,si no le dice al programa que asegure las patas para que la mesa no se mueva, agrega travesaños a lo largo del piso para aumentar la resistencia, aunque eso también evita que una silla se deslice debajo de la mesa ". Con la optimización de la topología, ustedobtén lo que pediste, si eso es lo que querías o no ", dijo Blacker.
Por lo tanto, la técnica requiere lo que él llama dirección interactiva. Si los ingenieros que miran un formulario en la pantalla de una computadora se dan cuenta de que no ingresaron suficiente información, pueden detener el programa ". Cuando detuvimos, decimos: 'Agregue esto adicional", dijo Blacker." Aunque los cálculos se realizan en modo por lotes en máquinas muy grandes, aún podemos tener un entorno de diseño interactivo en esas máquinas. Creemos que es una adición muy poderosa ".
La fabricación aditiva es una herramienta, no una panacea, y no reemplazará la fabricación tradicional para todo, dijo Smith. "No vamos a imprimir un conjunto mecánico complejo con piezas móviles de precisión en ningún momento en el futuro cercano", dijo"Pero puede haber algunas aplicaciones donde ofrece ventajas únicas para nosotros"
Él cree que Sandia puede lograr un progreso significativo hacia la vinculación de la garantía de materiales y la optimización de la topología en tres o cinco años, pero dijo que podría llevar una década o más alcanzar ese objetivo final de optimización del diseño.
Los investigadores deben equilibrar lo que se puede lograr ahora con el trabajo que aún se necesita para calificar las partes. "No quiero minimizar el beneficio potencial, pero tampoco quiero minimizar que todavía hay mucho trabajo por hacer,"Dijo Geller.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Cite esta página :