ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE ELEMENTOS PARA PRODUCTOS DE CONSUMO

Abstract

La optimización topológica es una técnica esencial para lograr productos más resistentes y económicos sin comprometer su rendimiento ni durabilidad. Este método mejora la calidad y la economía de los productos, obteniendo beneficios significativos. La optimización topológica es un desafío en la ingeniería estructural que busca la configuración más eficiente de materiales en un espacio de diseño, teniendo en cuenta las restricciones y condiciones necesarias.

Este proceso se emplea en diversas industrias. En la aeroespacial, se utiliza para fabricar componentes internos y soportes de motores. En la automotriz, se aplica en el diseño de chasis y elementos de suspensión. En medicina, permite diseñar implantes ortopédicos adaptados a cada paciente. En la industria del deporte, se usa para fabricar bicicletas, cascos y suelas de zapatillas. La optimización topológica tiene múltiples aplicaciones y continúa desarrollándose.

La optimización topológica utiliza algoritmos computacionales para explorar opciones que maximizan la eficiencia en el uso de materiales sin comprometer la integridad estructural. Esto permite alcanzar soluciones óptimas que mejoran el rendimiento del producto y reducen costos.

El proceso generalmente comienza con una pieza maciza a la que se aplican las condiciones de contorno necesarias para su optimización topológica. El objetivo es remover material de áreas no críticas, resultando en una geometría que utiliza el mínimo material posible mientras mantiene la integridad estructural, funcionalidad y eficiencia de la pieza.

Para ello, se ha seguido una metodología de trabajo en la que se elige la pieza de diseño a optimizar y su respectivo material. Posteriormente, se realiza un estudio de todas las restricciones y fuerzas que intervienen en el proceso de aplicación, para así poder realizar simulaciones por elementos finitos. Luego, se procede a realizar reducciones de masa de manera iterativa hasta conseguir un diseño que cumpla las restricciones establecidas.

Finalmente, las piezas optimizadas se refinan usando el software Altair Inspire para eliminar rugosidades. Con las piezas refinadas, se realiza una última simulación por elementos finitos para comprobar que no superan el límite elástico.

Con todas estas preparaciones finalizadas, las piezas están listas para la impresión 3D utilizando tecnología FDM y PLA como material de impresión. La técnica FDM se elige por su simplicidad y bajo coste, proporcionando una solución ideal para la producción de prototipos funcionales.

Después de imprimir, se evalúan los costes de fabricación comparando piezas originales y optimizadas. Los resultados muestran que la optimización topológica reduce los costos de fabricación y mejora la sostenibilidad.

La optimización topológica es una técnica innovadora alineada con los Objetivos de Desarrollo Sostenible, contribuyendo a la sostenibilidad económica y ambiental mediante la reducción de costes y materiales, y mejorando la eficiencia de los productos.

Topological optimization is an essential technique for achieving stronger and more economical products without compromising their performance or durability. This method improves the quality and economy of products, yielding significant benefits. Topological optimization is a challenge in structural engineering that seeks the most efficient material configuration in a design space, considering necessary constraints and conditions.

This process is employed across various industries. In aerospace, it is used to manufacture internal components and engine supports. In the automotive industry, it is applied to chassis and suspension element design. In medicine, it allows for the design of orthopedic implants tailored to each patient. In the sports industry, it is used to manufacture bicycles, helmets, and shoe soles. Topological optimization has multiple applications and continues to develop.

Topological optimization uses computational algorithms to explore options that maximize material efficiency without compromising structural integrity. This allows for optimal solutions that improve product performance and reduce costs.

The process generally begins with a solid piece to which the necessary boundary conditions for topological optimization are applied. The goal is to remove material from non-critical areas, resulting in a geometry that uses the minimum possible material while maintaining structural integrity, functionality, and efficiency.

A methodology is followed where the design piece to be optimized and its respective material are selected. Then, a study of all the constraints and forces involved in the application process is conducted to perform finite element simulations. Next, iterative mass reductions are made until a design that meets the established constraints is achieved.

Finally, the optimized pieces are refined using Altair Inspire software to eliminate roughness. After refining, a final finite element simulation is performed to ensure the pieces do not exceed the elastic limit.

With all preparations complete, the pieces are ready for 3D printing using FDM technology and PLA as the printing material. FDM is chosen for its simplicity and low cost, providing an ideal solution for producing functional prototypes.

After printing, the manufacturing costs of the original and optimized pieces are evaluated. The results show that topological optimization reduces manufacturing costs and improves sustainability.

Topological optimization is an innovative technique aligned with the Sustainable Development Goals, contributing to economic and environmental sustainability by reducing costs and materials and improving product efficiency.