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En la Feria de Hannover 2023, el director general de Siemens, Roland Busch, dio una calurosa bienvenida al canciller alemán Olaf Scholz a nuestro stand para mantener un debate sobre los valores fundamentales de la empresa. Haciendo hincapié en el compromiso permanente de Siemens con la innovación para un futuro más brillante, el centro de atención fue una pieza de tecnología extraordinaria: una pinza de batería robótica de diseño generativo y fabricación aditiva, que se muestra en la parte inferior izquierda de la imagen. Este componente de vanguardia ejemplifica la dedicación de Siemens a las soluciones pioneras que tienen un impacto positivo en nuestro mundo.
Pequeñas reducciones – grandes ahorros
¿Por qué un componente aparentemente básico como una pinza robótica es digno de ser presentado al Canciller de Alemania? Es una cuestión de números. Un mejor diseño de las pinzas puede ahorrar hasta 3 toneladas de emisiones de CO2 por robot y año. El sector de la robótica industrial está experimentando un rápido crecimiento, con un aumento medio anual del 11%. A partir de 2021, se desplegarán más de 500.000 nuevos robots al año, lo que supondrá unos 3,5 millones de robots en todo el mundo en 2022. Para comprender la escala, considere lo siguiente: el brazo de un robot medio pesa alrededor de 1 tonelada, mientras que la pinza que lo acompaña pesa unos 21 kg. Esta pinza, responsable de levantar baterías con un peso medio de 12 kg, puede parecer insignificante por sí sola. Sin embargo, cuando el brazo robótico funciona de forma continuada durante un año, produce unas 5,6 toneladas de emisiones de CO2. Las implicaciones se vuelven asombrosas cuando se amplían a toda la población de robots existentes. ¿Qué pasaría si pudiéramos reducir significativamente la masa de tan sólo la pinza del robot, que constituye un mero 2% de todo el robot?
Imagine por un momento que pudiera diseñar una pinza robótica que no sólo fuera tan funcional como la original, sino también sustancialmente menos compleja. Esta pinza constaría de sólo 5 piezas de PA 12 (nailon 12) reducidas en carbono, una reducción del 84% respecto a las 30 piezas de aluminio o acero que se suelen utilizar. No sólo eso, sino que sería un 90% más ligera. Y adivine qué: en lugar de un largo plazo de entrega de más de un mes, esta pinza avanzada puede fabricarse en sólo 2 días. Puede parecer una fantasía, pero le aseguro que no lo es. Con la ingeniería generativa del software NX™, esta posibilidad está hoy a su alcance.
Fuera lo viejo: diseñar, construir y probar
Retrocedamos un paso hasta las raíces mismas del proceso de diseño. Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, e incluso hasta hace poco, la validación de un diseño sólo era posible después de su fabricación, a menudo mediante pruebas directas en condiciones reales. El tríptico de fabricabilidad, estética y funcionalidad siempre ha sido primordial para el éxito de un diseño y se exigía que se satisficieran los tres aspectos.
Naturalmente, garantizar la fabricabilidad de un componente era la preocupación inicial para asegurar su viabilidad. Sin embargo, a menudo esto llevaba a la desafortunada constatación posterior a la construcción de que el diseño carecía de funcionalidad, lo que obligaba a realizar modificaciones en el diseño antes de poder iniciar de nuevo la construcción. Sólo para darse cuenta, incluso después de abordar los problemas de funcionalidad, de que el diseño no cumplía los requisitos estéticos, y el ciclo se repetía. ¡Qué pérdida de recursos y de tiempo!
Con el nuevo – simulación-impulson diseño
En respuesta a estos retos, han surgido nuevas técnicas de diseño basadas en la simulación para ayudar a diseñadores e ingenieros a innovar y cumplir los requisitos funcionales con mayor eficacia. Uno de los avances más destacados es la optimización topológica, una técnica que, basándose en unas condiciones de contorno de entrada y en un espacio de diseño dado, devuelve la distribución óptima de materiales. Aunque potentes, estas nuevas soluciones suelen ser complejas y requieren un profundo conocimiento de la teoría de la optimización. Como consecuencia, estaban dirigidas sobre todo a los ingenieros de tensiones y no eran adecuadas para las primeras fases de diseño por parte de los diseñadores. Además, estas herramientas sólo podían utilizarse para proporcionar orientación sobre el diseño, ya que el formato resultante era incompatible con el proceso de diseño y se requería un esfuerzo manual significativo para reconstruir los resultados en formatos CAD.
Los tradicionales diseñadores y los emergentes usuarios creadores tienen mucho que ganar con una solución centrada en el diseñador e integrada en el sistema CAD. Una herramienta de este tipo debe ser intuitiva y fácil de usar, sobre todo en las primeras fases del diseño, y permitir a los usuarios tomar las decisiones correctas sin necesidad de tener profundos conocimientos en optimización y análisis estructural. NX Topology Optimizer llena este vacío como solución de ingeniería generativa nativa de NX, perfectamente integrada en la plataforma NX.
Optimizador de topología NX
Una de las principales ventajas del optimizador de topología NX es la asociatividad ascendente y descendente. Esto significa dos cosas: cualquier cambio realizado en los requisitos de entrada no alterará los resultados existentes, simplemente se actualizarán en consecuencia. Del mismo modo, las modificaciones en los resultados de la optimización topológica no interferirán con las operaciones descendentes existentes: también se actualizarán con un clic. Además, la solución está acelerada por GPU, lo que proporciona una velocidad sin precedentes en comparación con las soluciones tradicionales de optimización topológica basadas en CAE.
El formato resultante producido por NX Topology Optimizer es un cuerpo liso, fácilmente editable dentro del entorno NX, lo que lo hace compatible para su uso en cualquier operación posterior dentro del ecosistema NX. Al utilizar el diseño generativo en NX, se eliminan eficazmente los retos y limitaciones asociados al proceso de diseño tradicional, allanando el camino para una mayor eficiencia e innovación.
Diseño generativo para racionalizar el desarrollo
Entonces, ¿en qué le beneficia? Dennis Nier, especialista en desarrollo de negocio en Fabricación Aditiva de Siemens Digital Industry Software, ofrece una respuesta precisa a la pregunta de por qué los diseñadores y los directores de ingeniería deberían invertir en una solución de Diseño Generativo. «Para los diseñadores, el Diseño Generativo simplemente genera componentes ligeros completos dentro de un factor de seguridad, eliminando la necesidad de diseñar y calcular cada detalle en la fase inicial».
El Diseño Generativo agiliza el proceso de iteración del diseño, permitiendo una exploración rápida de las alternativas de diseño y potenciando la creatividad. Dennis Nier explica además: «Para los directores de ingeniería, invertir en Diseño Generativo se traduce en beneficios tangibles como la reducción de los ciclos de desarrollo del producto, el menor uso de materiales, la disminución de los costes de fabricación y el cumplimiento de directivas de la empresa como el objetivo neto cero.»
¿Qué hay de la complejidad de la pieza final? ¿Debería ser una preocupación para los diseñadores? Dennis lo tiene claro: «Yo ni siquiera hablaría aquí de complejidad. Los componentes tendrán un aspecto diferente con el diseño generativo. Las geometrías serán más orgánicas y ya no contendrán los típicos ángulos rectos y bloques». NX Topology Optimizer es una solución que tiene en cuenta la fabricación: al incluir las llamadas restricciones de forma en la optimización, la solución devuelve diseños fabricables con el método previsto, ya sea fabricación sustractiva o aditiva.
«Todo es también asociativo», continúa. «Cuando se realizan cambios en el diseño, el cambio se extiende automáticamente por las geometrías del diseño generativo. Así tengo iteraciones de diseño mucho más rápidas». En cuanto a las ventajas del formato resultante, Dennis afirma: «Gracias a NX Convergent Bodies, las estructuras orgánicas también se pueden seguir procesando directamente y enviar a la impresora 3D sin tener que remodelarlo todo manualmente como con otras soluciones.» Así pues, lo que en principio parece complejo nos hace la vida mucho más fácil y eficaz.
Otra preocupación habitual de los diseñadores es la curva de aprendizaje de una solución de diseño generativo. «Si tenemos en cuenta todas las ventajas, está claro que es un tiempo bien invertido aprender la funcionalidad del diseño generativo en Siemens NX. Sólo hay que aprender su metodología, que suele funcionar bien al cabo de medio día», afirma Dennis. «NX Topology Optimizer es fácil de aprender porque la solución está totalmente integrada en NX y, por tanto, también puede utilizarse en la conocida interfaz de usuario», continuó. «Se comporta como funciones bien conocidas como Sketch o Edge Blend y es un elemento del navegador de piezas NX. Pruébelo, ya que también es divertido ver cómo crecen las geometrías orgánicas».
Por último, le pregunto qué opina de la integración total en NX. «Es una ventaja absoluta», afirma. «Los pasos del proceso antes y después del diseño generativo ofrecen un uso óptimo y eficiente. Desde determinar los casos de carga adecuados en NX Motion para la optimización hasta la sencilla validación final del diseño con el NX Performance Predictor. Encontrar la posición óptima para su configuración con NX Design Space Explorer, preparar sus geometrías para la fabricación con NX CAM o NX Additive Manufacturing build preparation».
Resumen
En conclusión, NX Topology Optimizer, una de las muchas piezas del rompecabezas que componen toda la cartera integral de Siemens Xcelerator, desplaza el centro de atención de las limitaciones tradicionales del diseño a los resultados basados en el rendimiento. Como bien dijo Dennis Nier, «el diseño generativo con NX Topology Optimizer simplifica la complejidad, haciendo nuestra vida laboral más fácil y eficaz».
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