ANÁLISIS, DISEÑO GENERATIVO Y FABRICACIÓN DE COMPONENTES DE USO FINAL MEDIANTE IMPRESIÓN 3D PARA APLICACIÓN EN UN ROBOT

Abstract

La robótica industrial contemporánea enfrenta el desafío de optimizar la relación entre capacidad de carga y peso propio de sus componentes. La inercia rotacional elevada en eslabones móviles limita prestaciones dinámicas y aumenta el consumo energético. Este trabajo aborda la optimización estructural del Link 2 del robot ABB IRB 120, componente crítico que soporta los mayores momentos flectores en la cadena cinemática.

La metodología desarrollada integra ingeniería inversa mediante escaneo 3D, análisis por elementos finitos (FEA), optimización topológica y fabricación aditiva (FDM) para materializar y validar la geometría optimizada. Tras la reconstrucción paramétrica en SolidWorks, el estado de cargas se definió empleando especificaciones oficiales de ABB para la configuración más crítica, considerando fuerzas transversales de 735 N, axiales de 630 N, momentos flectores de 450 Nm y torsores de 175 Nm. El análisis FEA del componente original confirmó un sobredimensionamiento, con tensiones máximas de 52,8 MPa frente al límite elástico de 200 MPa del Aluminio-L2560.

La aplicación de optimización topológica iterativa en Solid Edge y el refinamiento en Altair Inspire produjeron una geometría con una reducción de masa del 59% (pasando de 2,583 kg a 1,059 kg), manteniendo los criterios de seguridad estructural. Finalmente, se implementó un modelo analítico en Excel para auditar los costes de producción interna en las impresoras DT600+ (PLA, 207,08 €) y Markforged X7 (Onyx FR-A, 654,42 €), validándolo con éxito frente a plataformas de cotización externa como Protolabs y Xometry.

Los resultados demuestran que la optimización topológica integrada con diseño generativo permite alcanzar reducciones de masa significativas sin comprometer la integridad estructural, abriendo oportunidades para la mejora de la eficiencia dinámica y validando que el coste de fabricación aditiva interna con materiales compuestos es plenamente competitivo frente al mercado industrial.Contemporary industrial robotics faces the challenge of optimizing the ratio between load capacity and the dead weight of its components. High rotational inertia in moving links limits dynamic performance and increases energy consumption. This work addresses the structural optimization of Link 2 of the ABB IRB 120 robot, a critical component that withstands the highest bending moments in the kinematic chain.

The developed methodology integrates reverse engineering through 3D scanning, finite element analysis (FEA), topology optimization, and additive manufacturing (FDM) to materialize and validate the optimized geometry. Following parametric reconstruction in SolidWorks, the load state was defined using official ABB specifications for the most critical configuration, considering transverse forces of 735 N, axial forces of 630 N, bending moments of 450 Nm, and torsional moments of 175 Nm. The FEA of the original component confirmed an oversized design, with maximum stresses of 52.8 MPa against the 200 MPa yield strength of the L-2560 Aluminum.

The application of iterative topology optimization in Solid Edge and refinement in Altair Inspire produced a geometry with a 59% mass reduction (decreasing from 2.583 kg to 1.059 kg) while maintaining structural safety criteria. Finally, an analytical cost model was implemented in Excel to audit in-house production costs on the DT600+ (PLA, €207.08) and Markforged X7 (Onyx FR-A, €654.42) printers, successfully validating it against external quotation platforms such as Protolabs and Xometry.

The results demonstrate that integrated topology optimization allows significant mass reductions in robotic components without compromising structural integrity, opening opportunities for dynamic efficiency improvements and validating that the cost of in-house additive manufacturing with composite materials is fully competitive against the industrial market.