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Optimización de la topología del brazo pendular de una cámara - ¡Diseño generativo en la práctica!

La optimización de la topología en la práctica es el desarrollo y la optimización de un componente basado en un espacio de instalación dado, teniendo en cuenta un perfil de carga determinado.

Este proceso de desarrollo también se denomina diseño generativo. El ejemplo que aquí se muestra de la optimización de la topología de un brazo pendular utilizado como soporte de un dispositivo fue creado con la amable autorización del Centro Aeroespacial Alemán (DLR).

Requisitos del cliente para el diseño del brazo pendular

Una cámara giratoria se acoplará a un brazo pendular que se desarrollará en una aeronave de propulsión solar que estará en funcionamiento en la estratosfera durante un largo periodo de tiempo. Además de los requisitos mecánicos debidos a la rotación del dispositivo, para el diseño del brazo oscilante hay que tener en cuenta factores que influyen, como las grandes diferencias de temperatura y la radiación UV. Además, hay que seleccionar un material y un proceso de fabricación adecuados para la producción del componente.

El requisito de nuestro cliente es minimizar el peso del soporte y maximizar la rigidez. La forma no debe cambiar tanto como sea posible a pesar de la rotación alrededor de dos ejes. El soporte (brazo pendular) en el que se monta la unidad sólo debe permitir pequeños movimientos. A pesar del bajo peso, la rigidez del componente debe diseñarse de forma que su manipulación y montaje sean fáciles.

Resultados de la optimización de la topología

Tras la optimización de la topología realizada por nosotros a partir de varias simulaciones, el peso del brazo oscilante puede reducirse en 66% respecto al peso objetivo deseado sin que se produzcan desventajas en el manejo práctico debido a una estructura de componentes excesivamente filigrana. La rigidez también se puede aumentar en un factor de 4.

optimización de la topología diseño generativo del brazo pendular
Suspensión giratoria (200 mm x 300 mm x 200 mm) para sostener una cámara de 2,5 kg

Además del peso, la rigidez y el manejo del componente, otro de los retos es la fabricación. Esto da lugar a requisitos adicionales para cualquier restricción de espacio de instalación y factores de influencia térmica en la producción del componente. La distorsión térmica de un componente producido por la impresión metálica 3D no debe subestimarse y desempeña un papel especialmente con las correspondientes estructuras de filigrana.

A la hora de seleccionar el material, debido a la rigidez y resistencia mecánicas requeridas, un plástico moldeado por inyección podría haber sido una buena opción. Sin embargo, este enfoque se descartó por razones de radiación UV, temperaturas muy bajas y rigidez insuficiente.

Impresión 3D con metales

Una mejor opción para esta aplicación especial es la impresión 3D con metales (impresión de metales o sinterización láser). En este caso se suelen utilizar metales con límites elásticos más altos y rigideces más bajas. Además, es importante asegurarse de que el molde original no sea demasiado grande, ya que los componentes de mayor tamaño no sólo complican considerablemente la manipulación, sino que también reducen el número de proveedores que pueden imprimir un molde tan grande.

Por lo tanto, un metal con un límite elástico considerablemente inferior y una rigidez más favorable puede funcionar muy bien en determinadas circunstancias. Los criterios de diseño especificados para la funcionalidad del componente (por ejemplo, espesores de pared, radios o perforaciones) deben tenerse en cuenta durante la producción. También hay que tener en cuenta de antemano el posible alabeo debido a los efectos térmicos que se producen durante la fabricación de los componentes.

Por estas razones, es aconsejable mapear el propio proceso de fabricación en una simulación adicional:

Los requisitos de nuestro cliente se cumplen mediante optimizaciones de la topología realizadas en varios pasos de iteración en combinación con la simulación de la producción.

De este modo, no sólo podemos tener en cuenta los requisitos correspondientes a la mecánica estructural de los componentes, sino que también podemos ayudarle específicamente a la hora de determinar y cartografiar las influencias de los procesos de fabricación y los efectos de interacción resultantes en la resistencia de los componentes.

Este proyecto se ha desarrollado en colaboración con nuestro socio a largo plazo Krotwaar Consulting and Engineering B.V. y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR).

Topology optimisation camera swing arm - Generative design in practice ! - Goebel Engineering
Topology optimisation camera swing arm - Generative design in practice ! - Goebel Engineering
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