Diseño para FA: Herramientas CAD, simulación, vóxeles y el futuro del diseño de FA

23 de julio de 2025 | Tiempo de lectura: 6 min

 

En una grabación especial en directo desde la feria Rapid + TCT de Detroit, el podcast Additive Snack Podcast contó con el perspicaz Dr. Andreas Vlahinos, un auténtico cerebro del diseño en la fabricación aditivaFA). Con una larga y condecorada carrera, el Dr. Vlahinos compartió su perspectiva sobre la evolución del diseño para la fabricación aditiva (DfAM), los apasionantes proyectos que ha abordado y la pasión que sigue alimentando su innovador trabajo.

 

Evolución del diseño para la fabricación aditiva: De la puesta al día a la innovación basada en la simulación

El Dr. Vlahinos recordó una época en la que los sistemas CAD paramétricos permitían a los ingenieros crear diseños con complejidades internas que la fabricación tradicional no podía producir. Después, los avances en los polvos FA , las máquinas y las técnicas de escaneado superaron las capacidades de diseño, con lo que pudimos construir piezas que no podíamos diseñar. Esto impulsó la evolución del CAD, con la aparición de nuevas empresas y herramientas que permitían el diseño de geometrías complejas, como las estructuras reticulares, incluidos los giroscopios, estructuras que él conoció en los años 80, pero que no pudo utilizar plenamente hasta hace poco.

Según el Dr. Vlahinos, el verdadero cambio en los últimos tres años ha sido el "enorme progreso en el diseño basado en la simulación". Ahora es posible realizar análisis de elementos finitos (AEF) en una pieza sólida, almacenar los resultados y utilizar esos datos para, por ejemplo, variar el grosor de un giroide en función de la tensión residual o de von Mises.

Un obstáculo crítico era la interoperabilidad entre la geometría CAD tradicional de representación de límites y las geometrías basadas en vóxeles generadas por herramientas DfAM avanzadas. El reciente cambio en la tecnología de simulación, que adopta enfoques basados en vóxeles, ha permitido la simulación en tiempo real dentro del entorno de diseño. Los diseñadores pueden ver ahora los resultados de la simulación mientras diseñan, lo que permite realizar modificaciones inmediatas en función de los puntos de tensión.

 

Reducir la brecha de conocimientos: herramientas y formación

A pesar de estos avances, la mano de obra se ha quedado a menudo rezagada. El Dr. Vlahinos lo atribuye a varios factores: el rápido ritmo de las mejoras tecnológicas con cada lanzamiento de software, el hecho de que el mundo académico no esté al día con estas nuevas herramientas y el proceso burocrático de acreditación de nuevos cursos. El resultado es que los ingenieros se gradúan sin conocer estas capacidades críticas de DfAM.

Para combatir esta situación, el sector recurre cada vez más a la formación interna "justo a tiempo". El propio Dr. Vlahinos formó el año pasado a 480 ingenieros de Lockheed Martin, muchos de los cuales desconocían las avanzadas herramientas DfAM ya disponibles en su software actual.

Personalmente, utiliza herramientas como PTC Creo, con su diseño integrado basado en vóxeles y Creo Simulation Live, y nTopology (ahora nTop) por sus potentes funciones de modelado implícito, que permiten crear vastas estructuras reticulares y operaciones únicas como mezclar giroscopios con CAD sólido o desgranar giroscopios para estructuras de doble pared. A pesar de su potencia, señala que la usabilidad e interoperabilidad de nTop, aunque están mejorando, siguen planteando problemas.

Impacto en la vida humana: El proyecto de implante de fémur

Cuando se le preguntó por sus proyectos recientes más interesantes, el Dr. Vlahinos destacó un caso médico de gran repercusión ocurrido unos dos años antes. Una joven con cáncer de fémur necesitaba un implante en una semana para evitar la amputación.

Esto supuso aprender rápidamente a procesar los datos DICOM de una tomografía computarizada para generar un STL, convertirlo en un modelo sólido, resecar virtualmente el hueso canceroso, diseñar el implante con soportes integrados e incorporar estructuras reticulares de base radial para la osteointegración, todo ello asegurando un canal para un clavo quirúrgico.

El implante se imprimió y se implantó con éxito, y el paciente empezó a caminar sin cojear en dos semanas. Aunque este "trabajo de amor" fue más gratificante que cualquier proyecto remunerado, el Dr. Vlahinos señaló la naturaleza conservadora del campo médico, esperando una mayor apertura a innovaciones basadas en DfAM como los implantes articulados.

Creación de celosías de 8 giroscopios

El proceso de diseño de intercambiadores de calor: Una inmersión profunda

A continuación, el Dr. Vlahinos detalló su meticuloso proceso de diseño de intercambiadores de calor de fabricación aditiva: 

  1. Viabilidad ("Podría, debería"): ¿Puede imprimirse dentro del sobre? ¿Está disponible el material? ¿Tenemos acceso a la impresora? Y, sobre todo, ¿tiene sentido desde el punto de vista económico en comparación con los métodos tradicionales (por ejemplo, tubo y carcasa o placa soldada)? Esto implica un análisis del coste total de propiedad, teniendo en cuenta factores como la vida a fatiga y el mantenimiento.
  2. Objetivos de rendimiento y biblioteca digital: ¿Qué rendimiento se necesita? El Dr. Vlahinos aspira a duplicar, como mínimo, el rendimiento de la solución actual. El objetivo es crear un gemelo digital: un modelo según diseño y un modelo según impresión (con orientación, soportes y márgenes de mecanizado) almacenados en un sistema PLM para la impresión bajo demanda.
  3. Diseño inicial y CFD: Identifique las entradas y salidas, defina un volumen delimitador grueso y ejecute el análisis CFD en este volumen con temperaturas y presiones básicas de entrada/salida. Las estructuras TPMS, utilizadas a menudo, tienen intrínsecamente una baja caída de presión.
  4. Conformación guiada por el flujo: Las líneas de flujo resultantes del CFD guían la colocación del material, esculpiendo las regiones de recirculación y definiendo el volumen básico del intercambiador de calor.
  5. Transferencia de calor conjugada y eficiencia: Una vez definido el volumen sólido, ejecute el análisis de transferencia de calor conjugado para determinar las temperaturas y presiones en todo el recorrido y calcular la eficiencia del intercambiador de calor.
  6. Exploración y optimización del diseño: Si la eficiencia es baja, se exploran parámetros como el tamaño de la celda unitaria y el tipo de red. Se utiliza un enfoque de Diseño de Experimentos (DOE), ejecutando múltiples configuraciones. Los resultados se visualizan (por ejemplo, gráficos paralelos, frentes de Pareto) para identificar los diseños óptimos.
  7. Fabricación y colaboración: Una vez que el diseño optimizado se presenta a fabricación, se abordan restricciones como la eliminación de la estructura de soporte, los márgenes de mecanizado y los puntos de referencia para el posprocesamiento. Las consideraciones de fabricación, como el grosor mínimo de pared imprimible, se introducen en los rangos de DOE.
  8. Simulación del proceso de fabricación: El análisis del gráfico de área frente a altura puede revelar cambios bruscos en la sección transversal que podrían causar problemas, lo que provocaría modificaciones en el diseño, como placas onduladas o elementos en rampa.

 

Inspirar a la próxima generación (y a la actual)

El Dr. Vlahinos aconseja a los diseñadores que se inician en la FA o tienen dificultades con ella que no se limiten a recibir información, sino que se inspiren en ella.

Comienza sus cursos de DfAM mostrando los brillantes diseños de la naturaleza: cómo los árboles utilizan la optimización topológica o cómo las alas de las mariposas consiguen grandes luces con estructuras delgadas.

A continuación, proporciona "semillas" para la innovación, como incrustar tubos de calor en el chasis de las placas electrónicas diseñando cavidades internas, añadiendo unas gotas de agua y sellándolas. En su opinión, lo más difícil es superar la mentalidad arraigada durante 150 años de diseño para la fabricación sustractiva.

Las ideas del Dr. Andreas Vlahinos pintan un cuadro vibrante de un campo en rápida evolución, en el que herramientas sofisticadas, procesos rigurosos y, sobre todo, una mentalidad de colaboración liberan todo el potencial de FA.

 

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