Optimización topológica de una pieza metálica para adaptarla a fabricación aditiva

Abstract

La fabricación aditiva o impresión 3D es una tecnología basada en la creación de piezas mediante la superposición de capas de material hasta completar el sólido. En la última década su evolución ha experimentado grandes progresos y sus múltiples aplicaciones han llamado la atención de un gran número de empresas de todos los sectores. Actualmente está en pleno auge gracias al perfeccionamiento de las tecnologías y las ventajas que proporciona en cuestión de tiempos y costes. En el apartado de Estado del Arte del presente estudio se han presentado estas técnicas, las más importantes y utilizadas, indicando cómo funcionan y señalando sus ventajas y sus inconvenientes. Uno de los sectores más beneficiados por la fabricación aditiva es el sector aeronáutico. Su continua búsqueda de la reducción de pesos y la necesidad de simplificar la fabricación de piezas con configuraciones complejas, están totalmente reflejados en la filosofía que aporta esta nueva tecnología de fabricación. Dichos propósitos han inspirado la creación de este estudio, pretendiendo demostrar cómo la aplicación de esta tecnología mejoraría en todos los aspectos los procesos de diseño y fabricación. Este proyecto está enfocado en la optimización topológica de una pieza, componente de una estructura aeronáutica, para su futura fabricación mediante impresión 3D, en concreto mediante EBM – fusión por haz de electrones. Se ha realizado la optimización de la pieza mediante la herramienta especializada Inspire®, partiendo de dos modelos distintos de base, a los que se les ha aplicado las restricciones de diseño y las cargas soportadas por la pieza original. El proceso consta de varias iteraciones, análisis y pruebas, para obtener un modelo apto para la fabricación que cumple los objetivos necesarios. Para finalizar el estudio, y teniendo en cuenta el modelo optimizado conseguido, se hace una comparación de los parámetro de fabricación entre este nuevo método y la fabricación convencional, evaluando los tiempos, costes y sobre todo material utilizado, que es uno de los factores más importan en la industria aeronáutica. Los resultados obtenidos pueden ser útiles en la evaluación de la implementación de este proceso en un caso real, ya que facilita la selección del método, indica un método de optimización a seguir y proporciona el rango de mejora obtenido comparado con una fabricación convencional por mecanizado.

Additive manufacturing, also known as 3D printing, is a technology based on the creation of parts by laying down successive layers of material until the entire object is created. In the last decade its evolution has made great progress and many applications have been discovered, drawing the attention of a large number of companies from all sectors. Currently it is booming, thanks to the improvement of technologies and the advantages provided within manufacturing time and costs. In the State of the Art section of this study these techniques are presented, the most important and used, indicating how they work and pointing out their advantages and disadvantages. One of the sectors that are benefited most from additive manufacturing is the aerospace sector. The constant search for weight reduction and the need to simplify the manufacture of parts with complex configurations, are fully reflected in the philosophy that brings this new manufacturing technology. These purposes have inspired the creation of this study, wishing to show how the application of this technology would improve the design and manufacturing processes in all aspects. This project is focused on the topological optimization of a part, component of an aeronautical structure for future production by 3D printing, particularly through EBM (Electron Beam Melting). The optimization of the part has been performed by Inspire®, an specialized design tool, from two different base models, where the design constraints and loads on the original part are applied. The process consists of several iterations, analysis and testing to obtain a model suitable for the manufacture that meets the required objectives. To complete the study, considering the optimized model obtained, a comparison of the manufacturing parameters between the new method and the conventional manufacture is done, by evaluating the time, cost and especially the material used, which is one of the factors more valuable into the aviation industry. The results can be useful in evaluating the implementation of this process in a real case, since it facilitates the selection of the method, indicating an optimization method to follow and provides the range enhancement obtained compared with a conventional manufacturing machining.