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Proceso completo de optimización topológica
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
(ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Especialidad Mecánica
PROCESO COMPLETO DE
OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA
PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE
MOTOR
Autor: Fernando Lozano Zurita
Directores: Alberto Carnicero López
Mariano Jiménez Calzado
Silvia Fernández Villamarín
Madrid
Julio 2017
Proceso completo de optimización topológica
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AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE
PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE
BACHILLERATO
1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. FERNANDO LOZANO ZURITA
DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad intelectual de la obra: PROCESO COMPLETO
DE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE MOTOR que
ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad
Intelectual.
2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de
la Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no
exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de
archivo, de reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de
puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El
derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado
siguiente.
3º. Condiciones de la cesión y acceso
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión
de derechos contemplada en esta licencia habilita para:
a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a
internet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e
incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,
incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de
garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.
c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo
libre y gratuito a través de internet.
d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse
expresamente y obedecer a causas justificadas.
e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.
f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).
4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:
a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma
b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través
de cualquier medio.
c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.
d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras
personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos
de propiedad intelectual sobre ella.
5º. Deberes del autor.
El autor se compromete a:
a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún
derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la
intimidad y a la imagen de terceros.
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c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que
pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e
intereses a causa de la cesión.
d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por
infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.
6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso
con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio,
investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes
deberes y se reserva las siguientes facultades:
➢ La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no
garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un
uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá
de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se
obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.
➢ La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo
la responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en
nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual
derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación
frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los
usuarios hagan uso de las obras.
➢ La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un
futuro.
➢ La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en
supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a 13 de JULIO de 2017
ACEPTA
Fdo:
Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio
Institucional:
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
(ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Especialidad Mecánica
PROCESO COMPLETO DE
OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA
PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE
MOTOR
Autor: Fernando Lozano Zurita
Directores: Alberto Carnicero López
Mariano Jiménez Calzado
Silvia Fernández Villamarín
Madrid
Julio 2017
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PROCESO COMPLETO DE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA
PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE MOTOR
Autor: Lozano Zurita, Fernando
Directores: Carnicero López, Alberto; Jiménez Calzado Mariano; Villamarín Fernández
Silvia.
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
El principal objetivo del presente proyecto se fundamenta la realización de un proceso
completo de optimización topológica, partiendo de una geometría y unas condiciones de
contorno iniciales. Adicionalmente, resulta de gran importancia obtener la mayor
cantidad de información posible relativa los problemas encontrados durante los
diferentes procesos, pues esta tecnología es relativamente reciente y se entiende que
posee un importante margen de mejora en algunos aspectos.
Dentro de los diferentes ámbitos tecnológicos que intervienen en la realización de la
tarea propuesta, podemos clasificar los mismos en cuatro grupos principales: ingeniería
inversa, análisis por elementos finitos, programas de post-procesamiento e impresión
en 3D. El esquema del proyecto se plantea de la siguiente manera: escaneo de la pieza
escogida, procesamiento de la información y generación de modelo computacional,
análisis por elementos finitos, optimización topológica, impresión 3D y ensayos finales.
Por parte de la ingeniería inversa, en líneas generales el término hace referencia a un
proceso de diseño en el que se parte de un modelo final del que obtener la información,
siendo este el sentido contrario a los planteamientos tradicionales. Dentro de esta
disciplina, en aplicaciones directamente ingenieriles podemos encontrar los métodos de
escaneo tridimensional, tales como el escáner láser o el escáner por luz estructurada,
que serán utilizados en este proyecto. Estas tecnologías son de desarrollo reciente y, por
lo tanto, los softwares y aplicaciones que intervienen en ellas son susceptibles de
mejora.
En referencia al análisis por elementos finitos de modelos computacionales, se utilizará
el programa ANSYS Workbench en su versión 17.1, junto con una extensión adicional
de optimización topológica. Otro punto interedante dentro del proyecto se basará en
realizar una comparativa cualitativa entre los modelos optimizados obtenidos en esta
versión y los generados en la versión 18.1 de este mismo programa.
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Durante el transcurso del proyecto, se hará necesaria la utilización de un programa de
post-procesamiento de modelos computacionales denominado Space Claim, junto con
su extensión “STL Prepare”, también de reciente implementación. El objetivo de esta
herramienta se fundamenta en conseguir modificar los modelos de manera adecuada,
tanto para poder trabajar con ellos por elementos finitos, como para poder imprimirlos
posteriormente en 3D.
Por otra parte, en lo que respecta a las impresoras 3D y los procesos necesarios para
obtener modelos prototipados mediante esta tecnología, se pretende comprobar la
solidez estructural con respecto a la metodología a seguir y la calidad de los resultados
obtenidos. Esto es debido a que las impresoras 3D conforman un ámbito tecnológico
mucho más desarrollado que los procesos mencionados con anterioridad.
Metodología y resultados
Inicialmente, se escaneará la pieza escogida mediante las dos tecnologías mencionadas
anteriormente y se compararán los resultados obtenidos para seleccionar el que aporte
un modelo de mayor calidad. Este tipo de herramientas, genera una nube de puntos por
cada uno de los barridos realizados sobre la pieza. En este sentido, la calibración de las
máquinas y el diseño del procedimiento a seguir resultan de alta importancia. En las
siguientes imágenes, se puede ver cada uno de los dos procesos mencionados
anteriormente durante su realización.
Escáner láser Escáner de luz estructurada
Los resultados obtenidos mediante el escáner de luz estructurada resultan ser de mejor
calidad y, por tanto, se comenzó a trabajar sobre este modelo. El siguiente paso se basa
en tratar la información obtenida mediante el programa GeoMagic, con el fin de
disponer de un modelo computacional de calidad para ser trasladado posteriormente a
ANSYS Workbench, donde es crucial disponer de la resolución suficiente como para
poder analizar los esfuerzos a los que se someterá la pieza por el método de división en
elementos finitos. En la siguiente imagen se puede ver el modelo resultante del
tratamiento de la nube de punto en GeoMagic.
Proceso completo de optimización topológica
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Modelo computacional generado con GeoMagic
A continuación, resultó necesaria la utilización de Space Claim como segundo
procesador para conseguir los resultados requeridos, debido principalmente a que
ANSYS no era capaz de interpretar las caras de la pieza de manera correcta. En la
imagen se muestra el modelo después de pasar por dicho programa.
Modelo computacional generado en SpaceClaim
Posteriormente, se procede a introducir las condiciones de contorno del diseño en el
programa ANSYS Workbench. La idea es representar la funcionalidad real de la pieza
de la manera más precisa posible. Una vez se dispone de estas condiciones, se procede a
realizar la optimización topológica con ayuda de la extensión mencionada. En las
siguiente imágenes, se pueden ver los esfuerzos reales a los que se encuentra sometida
la pieza y posteriormente el modelo ya optimizado.
Esfuerzos sobre el modelo Optimización topológica
Proceso completo de optimización topológica
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Por último, el modelo debe volver a pasar por SpaceClaim para preparar la geometría
para la impresión en 3D, suavizando las zonas irregulares y asegurando la hermeticidad
y falta de solapamientos del modelo. En la siguiente imagen se muestra el diseño final
en procesamiento.
Modelo final en procesamiento
Finalmente se procede a la impresión en 3D de la pieza y a la realización de un ensayo
de tracción con el objetivo de comprobar si la optimización ha sido realizada de manera
correcta. En las siguientes imágenes, se puede ver la pieza impresa, el ensayo realizado,
y el resultado final.
Pieza en su posición de funcionamiento Ensayo de tracción
Fractura generada durante el ensayo Gráfica de tensión durante el ensayo
Proceso completo de optimización topológica
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Conclusiones
En líneas generales, se considera que el proceso de optimización no se encuentra
completamente desarrollado, si bien es verdad que los principales problemas residen en
errores en los programas computacionales y no en la metodología del proceso.
Se han podido cumplir los objetivos propuestos y se ha obtenido un modelo con buenas
propiedades fruto de la combinación entre las tecnologías que han intervenido en el
proyecto.
Dentro de los inconvenientes más notorios de las tecnologías en desarrollo que han
intervenido, conviene destacar los siguientes:
✓ Necesidad de aplicar una gran cantidad de trabajo de post-procesamiento para
poder obtener un modelo útil tras el escáner láser.
✓ Inexistencia en comandos que adapten superficies concretas a geometrías
exactas tales como planos o cilindros.
✓ El tratamiento de modelos de calidad en sencillo, mientras que el tratamiento de
archivos con importantes imperfecciones es altamente complejo.
✓ Excesivo tamaño de los archivos generados tras la utilización de la extensión
“STL Prepare” en SpaceClaim, que imposibilita su posterior utilización dentro
de ANSYS Workbench.
✓ La mayoría de los comandos de optimización no están implementados en la
versión 17.1, y los resultados en la versión 18.1 no son significativamente
diferentes.
Proceso completo de optimización topológica
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FULL PROCESS OF TOPOLOGICAL OPTIMIZATION OF A PART
SUPPORT FOR A MOTOR BLOCK
Author: Lozano Zurita, Fernando
Directors: Carnicero López, Alberto; Jiménez Calzado Mariano; Villamarín Fernández
Silvia.
Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
SUMMARY
Introduction
The main objective of the present project is based on the realization of a complete
process of topological optimization, starting from an initial geometry and contour
conditions. In addition, it is of great importance to obtain as much information as
possible regarding the problems encountered during the different processes, as this
technology is relatively recent and it is understood that it has an important margin of
improvement in some aspects.
Within the different technological areas involved in carrying out the proposed task, we
can classify them into four main groups: reverse engineering, finite element analysis,
post-processing programs and 3D printing. The project scheme is as follows: scanning
of the chosen piece, information processing and computational model generation, finite
element analysis, topological optimization, 3D printing and final tests.
By reverse engineering, in general terms the term refers to a design process in which it
is part of a final model from which to obtain the information, which is the opposite of traditional approaches. Within this discipline, in directly engineering applications we
can find the three-dimensional scanning methods, such as the laser scanner or the
scanner by structured light, that will be used in this project. These technologies are of
recent development and, therefore, the softwares and applications that intervene in them
are susceptible of improvement.
In reference to the finite element analysis of computational models, the ANSYS
Workbench program in its version 17.1 will be used, along with an additional extension
of topological optimization. Another interim point within the project will be based on a
qualitative comparison between the optimized models obtained in this version and those
generated in version 18.1 of this same program.
Proceso completo de optimización topológica
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During the course of the project, it will be necessary to use a post-processing program
of computational models called Space Claim, along with its extension "STL Prepare",
also of recent implementation. The objective of this tool is based on being able to
modify the models in an appropriate way, both to be able to work with them by finite
elements, and to be able to subsequently print them in 3D.
On the other hand, with regard to the 3D printers and the processes necessary to obtain
prototyped models using this technology, it is tried to verify the structural solidity with
respect to the methodology to follow and the quality of the obtained results. This is due
to the fact that 3D printers form a much more developed technological field than the
previously mentioned processes.
Methodology and results
Initially, the selected piece will be scanned using the two technologies mentioned above
and the results obtained will be compared to select the one that provides a higher quality
model. This type of tool generates a cloud of points for each of the sweeps made on the
piece. In this sense, the calibration of the machines and the design of the procedure to
follow are of high importance. In the following images, you can see each of the two
processes mentioned above during their realization.
Laser scanner Structured light scanner
The results obtained using the structured light scanners prove to be of better quality and,
therefore, work on this model was started. The next step is to treat the information
obtained through the GeoMagic program, in order to have a quality computational
model to be transferred later to ANSYS Workbench, where it is crucial to have
sufficient resolution to analyze the efforts which will be subjected to the finite element
method. In the following image you can see the model resulting from the processing of
the point cloud in GeoMagic.
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Computational model generated by GeoMagic
Then, it was necessary to use Space Claim as the second processor to achieve the
required results, mainly because ANSYS was not able to interpret the faces of the part
correctly. The image shows the model after passing through said program.
Computational model generated by SpaceClaim
Subsequently, the contour conditions of the design are introduced in the ANSYS
Workbench program. The idea is to represent the actual functionality of the part in the
most accurate way possible. Once these conditions are available, the topological
optimization is carried out with the help of the mentioned extension. In the following
images, you can see the actual efforts to which the piece is subjected and then the
already optimized model.
Efforts in the model Topology optimization
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Finally, the model must pass through SpaceClaim to prepare the geometry for 3D
printing, smoothing the irregular areas and ensuring the hermeticity and lack of overlaps
of the model. The following image shows the final design in processing.
Final model while processing
We proceed to the 3D printing of the piece and to the realization of a tensile test in order
to check if the optimization has been done correctly. In the following images, you can
see the printed piece, the test performed, and the final result.
Piece in its working position Traction test
Fracture generated during the test Graph of tension during the test
Proceso completo de optimización topológica
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Conclusions
In general terms, it is considered that the optimization process is not completely
developed, although it is true that the main problems lie in errors in the computational
programs and not in the methodology of the process.
The proposed objectives have been achieved and a model with good properties has
been obtained as a result of the combination of the technologies that have intervened in
the project.
Among the most conspicuous drawbacks of the developing technologies that have
intervened, it is worth noting the following:
✓ Need to apply a large amount of post-processing to get a useful model after the
laser scanner.
✓ Non-existent in commands that adapt concrete surfaces to exact geometries
such as planes or cylinders.
✓ The treatment of quality models in simple, while the treatment of files with
important imperfections is highly complex.
✓ Excessive size of the files generated after using the "STL Prepare" extension in
SpaceClaim, which makes it impossible to use them within ANSYS
Workbench.
✓ Most optimization commands are not implemented in version 17.1, and the
results in version 18.1 are not significantly different.
Proceso completo de optimización topológica
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ÍNDICE
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN AL PROYECTO………………………………………………….…………..23
1.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………24
1.2 Motivación del proyecto………………………………………………………………………………………26
1.3 Metodología del proyecto……………………………………………………………………………………27
1.4 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………..29
CAPÍTULO 2: ESTADO DE LA TÉCNICA…………………………………………………………………………31
2.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………..32
2.2 Ingeniería inversa y metodologías de escaneo de piezas……………………………………..33
2.3 Optimización topológica………………………………………………………………………….…………..38
2.4 Impresión de modelos en 3D…………………………………………………………………..……………41
CAPÍTULO 3: OBTENCIÓN DEL MODELO COMPUTACIONAL……………………………………….43
3.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………44
3.2 Preparación de la pieza y los equipos……………………………………………………………………45
3.3 Escaneo de la pieza………………………………………………………………………………………………48
3.4 Comparativa ente las nubes de puntos…………………………………………………………………51
3.5 Tratamiento de las nubes de puntos…………………………………………………………………….54
3.6 Conclusiones………………………………………………………………………………………..………………61
CAPÍTULO 4: OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DEL MODELO……………………………….…………63
4.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………64
4.2 Preparación del modelo……………………………………………………………………………………….66
4.3 Condiciones de funcionamiento de la pieza………………………………………………………….71
4.4 optimización topológica……………………………………………………………………………………….78
4.5 Post-procesamiento del modelo optimizado…………………………………..……………………88
4.6 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………..91
Proceso completo de optimización topológica
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CAPÍTULO 5: IMPRESIÓN 3D DEL MODELO OPTIMIZADO……………………………………………95
5.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………96
5.2 Características de la impresora……………………………………………………………………….……97
5.3 Impresión en 3D del modelo…………………………………………………………………………………99
5.4 Análisis de la pieza impresa……………………………………………………………………………….100
5.5 Conclusiones…………………………………………………………………………………………..……….…103
CAPÍTULO 6: ENSAYO DE TRACCIÓN SOBRE LA PIEZA IMPRESA EN 3D……………………..105
6.1 Introducción……………………………………………………………………………………………………….106
6.2 Fabricación de los soportes laterales………………………………………………………………….107
6.3 Ensayo de tracción……………………………………………………………………………..………………110
6.4 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………114
CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y ASPECTOS A MEJORAR EN LOS PROCESOS QUE HAN
INTERVENIDO EN EL PROYECTO……………………………………………………………………….………115
7.1 Aspectos a mejorar en los procesos……………………………………………………………………116
7.2 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………119
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………….……….123
Proceso completo de optimización topológica
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ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN AL PROYECTO………………………………………………….…………..23
Figura 1.1.1 Ejemplo de optimización de forma………………………………………………………….24
Figura 1.1.2 Ejemplos de optimización de topología…………………………………………………..25
Figura 1.1.3 Escáner láser…………………………………………………………………………………………25
Figura 1.1.4 Escáner por luz estructurada…………………………………………………………………..25
Figura 1.2.1. Esquema genérico sobre el proceso completo de ingeniería inversa………26
CAPÍTULO 2: ESTADO DE LA TÉCNICA…………………………………………………………………………31
Figura 2.2.1 Proceso de ingeniería inversa………………………………………………………………….33
Figura 2.2.2 Ejemplo de programa de fotogrametría………………………………………………….34
Figura 2.2.3 Máquina de medición tridimensional con palpador……………………………….34
Figura 2.2.4 Escáner láser FARO………………………………………………………………………………..35
Figura 2.2.5 Escáner de luz estructurada CAPTURE…………………………………………………….36
Figura 2.2.6 Ventana gráfica del programa Geomagic……………………………………………….36
Figura 2.3.1 Perfil de optimización topológica……………………………………………………………39
Figura 2.4.1 Ejemplo de modelado 3D por capas……………………………………………………….41
Figura 2.4.2 Ejemplos de geometrías irrealizables por otros métodos……………………….42
CAPÍTULO 3: OBTENCIÓN DEL MODELO COMPUTACIONAL……………………………………….43
Figura 3.2.1 Calibrador del palpador utilizado en el proyecto……………………………………..46
Figura 3.2.2 Patrón para la calibración del láser…………………………………………………………47
Figura 3.3.1 Escáner láser sobre la pieza……………………………………………………………………48
Figura 3.3.2 Escáner de luz estructurada……………………………………………………………………50
Proceso completo de optimización topológica
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Figura 3.3.3 Escáner de luz estructurada en funcionamiento……………………………………..50
Figura 3.4.1 Nube de punto escáner láser………………………………………………………………….51
Figura 3.4.2 nube de puntos obtenida por luz estructurada………………………………………..52
Figura 3.5.1 Rellenado de agujeros…………………………………………………………………………….55
Figura 3.5.2 Modelo mallado sobre la nube de puntos……………………………………………….56
Figura 3.5.3 Relleno agujeros planos para conseguir generar caras del contorno………58
Figura 3.5.4 Modelo final previo a conversión en sólido de la malla de triángulos………58
Figura 3.5.5 Primero modelo sólido………………………………………………………………………….…59
CAPÍTULO 4: OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DEL MODELO……………………………….…………63
Figura 4.2.1 Modelo sólido trasladado a ANSYS Workbench………………………………………66
Figura 4.2.2 Proceso de unión de caras………………………………………………………………………67
Figura 4.2.3 Fusión de caras y superficie sin rellenar…………………………………………….……68
Figura 4.2.4 Mallado y suavizado……………………………………………………………………………..70
Figura 4.2.5 Modelo final pre-optimización………………………………..………………………………70
Figura 4.3.1 Primer mallado de la pieza……………………………………………………………………..71
Figura 4.3.2 Error al intentar reducir el tamaño de los diferenciales…………………………..72
Figura 4.3.3 Momento torsor……………………………………………………………………………………..74
Figura 4.3.4 Presión ejercida por los tornillos……………………….…………………..….……………74
Figura 4.3.5 fuerza de tracción……………………………………………………………………………………75
Figura 4.3.6 Resultante de la suma de las fuerzas remotas…………………………………………75
Figura 4.3.7 Esfuerzos generados en el modelo………………………………………………………….76
Figura 4.3.8 Deformaciones generadas en el modelo………………………………………………….76
Figura 4.4.1 Conexión entre herramientas del programa…………………………………………...78
Figura 4.4.2 Selección del volumen completo……………………………………………………….……79
Figura 4.4.3 Exclusión de la zona de apoyo interior de un tornillo………………………………79
Proceso completo de optimización topológica
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Figura 4.4.4 Exclusión de apoyo sobre el motor (1)……………………………………………………80
Figura 4.4.5 Exclusión de apoyo sobre el motor (2)……………………………………………………80
Figura 4.4.6 Exclusión de apoyo sobre el motor (3)……………………………………………………81
Figura 4.4.7 Exclusión de apoyo sobre la rueda de la cadena de transmisión……………..81
Figura 4.4.8 Exclusión del apoyo interior de la sujeción del disco……………………………….82
Figura 4.4.9 Exclusión del apoyo superior de un tornillo……………………………………….……82
Figura 4.4.10 Primer modelo optimizado obtenido……………………………………………………84
Figura 4.4.11 Segundo modelo optimizado obtenido………………………………………………….85
Figura 4.4.12 Tercer modelo optimizado obtenido…………………………………………………….85
Figura 4.4.13 Cuarto modelo optimizado obtenido…………………………………………………….86
Figura 4.4.14 Tercer modelo en etapa de post-procesado…………………………………………..86
Figura 4.4.15 Modelo final optimizado topológicamente (sin c.s.)………………………………87
Figura 4.4.16 Modelo final optimizado topológicamente (con c.s.)…………………………….87
Figura 4.5.1 Post-procesamiento fallido……………………………………………………………………..89
Figura 4.5.2 Procesamiento del modelo final………………………………………………………………90
Figura 4.6.2 Modelo optimizado en la versión 18.1…………………………………………………….92
CAPÍTULO 5: IMPRESIÓN 3D DEL MODELO OPTIMIZADO……………………………………………95
Figura 5.2.1 Materiales que utiliza la impresora con lista de precios………………………….97
Figura 5.2.2 Impresora utilizada en el proyecto………………………………………………………….98
Figura 5.4.1 Vista general de la pie..za impresa en 3D………………………………………………100
Figura 5.4.2 Pieza en su posición de funcionamiento (1)…………………………………………..101
Figura 5.4.3 Pieza en su posición de funcionamiento (2)…………………………………………..101
Figura 5.4.4 Pieza en su posición de funcionamiento (3)…………………………………………..102
Proceso completo de optimización topológica
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CAPÍTULO 6: ENSAYO DE TRACCIÓN SOBRE LA PIEZA IMPRESA EN 3D……………………..105
Figura 6.2.1 Punteado para facilitar entrada de la broca………………………………………….107
Figura 6.2.2 Taladradora………………………………………………………………………………………….108
Figura 6.2.3 Sierra de corte………………………………………………………………………………………109
Figura 6.2.4 Soporte sobre la pieza…………………………………………………………………………..109
Figura 6.3.1 Pieza colocada en la máquina de tracción…………………………………………….110
Figura 6.3.2 Grietas durante el ensayo de tracción…………………………………………………..111
Figura 6.3.3 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (1)……………………..………………112
Figura 6.3.4 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (2)……………………….…………….112
Figura 6.3.5 Valores de tensión obtenidos durante el ensayo (kN)………………….………..113
CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y ASPECTOS A MEJORAR EN LOS PROCESOS QUE HAN
INTERVENIDO EN EL PROYECTO……………………………………………………………………….………115
Figura 7.2.1 Pieza original………………………………………………………………………………………..119
Figura 7.2.2 Modelo final del post-tratamiento de la nube de puntos………………………119
Figura 7.2.3 Modelo final en el proceso de adaptación a ANSYS………………………………120
Figura 7.2.4 Modelo optimizado en ANSYS Workbench……………………………………………120
Figura 7.2.5 Modelo final tras el post-procesamiento del anterior……………………………120
Figura 7.2.6 Pieza impresa en 3D…………………………………………………………………………….121
Figura 7.2.7 Resultado del ensayo de tracción………………………………………………………….121
Proceso completo de optimización topológica
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CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN AL
PROYECTO
Proceso completo de optimización topológica
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1.1 Introducción
Uno de los grandes problemas clásicos de la ingeniería consiste en determinar la
configuración óptima de un cuerpo, con el objetivo de satisfacer una serie de
restricciones o condiciones, empleando el menor número de recursos posible. La
solución a este problema puede ser enfocada desde diversos puntos de vista entre los
que destacan la optimización de forma y la optimización de topología.
Con respecto a la optimización de forma, el proceso se enfoca desde un estudio de las
posibles soluciones geométricas, bajo restricciones limitadas por las condiciones de
contorno del diseño.
Figura 1.1.1 Ejemplo de optimización de forma
Por otra parte, el estudio topológico consiste en analizar los esfuerzos a los que se verá
sometido el cuerpo en condiciones normales de funcionamiento, con el objetivo de
minimizar la cantidad de material utilizado sin alterar el nivel de esfuerzo, o
manteniéndolo dentro de los rangos admisibles.
Sin duda, esta última resulta una alternativa que ofrece mayor control sobre el
dominio del problema, pues es capaz de adaptarse a condiciones adicionales, como la
limitación de espacio.
Proceso completo de optimización topológica
25
Figura 1.1.2 Ejemplos de optimización de topología
Esta técnica, está creciendo exponencialmente en popularidad en los últimos años,
debido a las mejoras de software. Gracias a esto, es posible llevar a cabo análisis más
detallados, obteniéndose así mejores soluciones que son capaces de ahorrar
importantes cantidades de recursos a largo plazo.
El objetivo de este proyecto será por tanto, analizar el proceso completo de
optimización topológica de una pieza, desde su escaneo mediante láser y luz
estructurada, hasta el prototipado y sometimiento a ensayos del modelo final,
pasando por el análisis por elementos finitos ante una serie de esfuerzos
determinados.
Figura 1.1.3 Escáner láser Figura 1.1.4 Escáner por luz estructurada
Proceso completo de optimización topológica
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1.2 Motivación del proyecto
Uno de los principales factores para la elección de este proyecto, surge del interés por
la investigación en los ámbitos del escaneado de piezas para la obtención de modelos
computacionales, el manejo de las herramientas informáticas para el post-procesado y
optimización de los modelos y el uso de tecnologías de impresión 3D, con el fin de
obtener prototipos funcionales para la realización de ensayos, en los que se someterá
al diseño a una serie de cargas, con el objetivo de comprobar la validez del proceso. En
este proyecto intervienen ciertos ámbitos aún sin optimizar por completo, lo que
puede permitir aportar un punto de vista interesante sobre las limitaciones existentes
y posibles factores a mejorar.
Con respecto a la primera etapa del proceso de ingeniería inversa, en el proyecto se
recogerá una comparativa entre los modelos obtenidos por luz estructurada y láser,
intentando determinar si existe algún tipo de diferencia significativa, en lo referido a
precisión, a la hora de captar la geometría y en susceptibilidad a fallos.
Figura 1.2.1. Esquema genérico sobre el proceso completo de ingeniería inversa
En relación al análisis y optimización topológicos, el software a utilizar ha sido
desarrollado recientemente, lo que aporta un extra de interés a su utilización y su
posterior comparación con los ensayos sobre el modelo definitivo.
Finalmente, con respecto a la impresión en 3D se comprobará la solidez de este
proceso, actualmente en auge. La combinación de estas tecnologías vanguardistas
ofrece una serie de soluciones ingenieriles capaces de suponer un punto de inflexión
en el mundo de la industria a nivel global.
Diseño original
Obtención y tratamiento
de la información
Diseño recuperado
Implementación de
mejoras
Nuevo diseño
Proceso completo de optimización topológica
27
1.3 Metodología de trabajo
A continuación, se expone una breve descripción de las diferentes etapas involucradas
en el proceso de optimización topológica de una pieza, siguiendo el orden cronológico
de realización.
✓ Selección del elemento objeto de estudio. Debido a que los enfoques de
resolución de problemas de optimización topológica pueden presentar
dificultados a la hora de linealizar matemáticamente las restricciones asociadas
al diseño, se ha decidido seleccionar una pieza de geometría sencilla, sometida
a esfuerzos no variables. En concreto, se trata de un anclaje lateral que une dos
secciones de un motor. Por lo tanto, el esfuerzo más representativo al que
estará sometida será de tracción, hecho que resulta altamente beneficioso,
pues facilita los ensayos finales sobre el modelo optimizado como se explicará
en los próximos capítulos.
✓ Escaneo de la pieza original y obtención del modelo computacional. En este
proyecto, se ha querido realizar una comparativa cualitativa entre la resolución
y susceptibilidad al fallo obtenidas en dos métodos diferentes de escaneado de
modelos, el escáner láser y el escáner mediante luz estructurada. Mediante
ambos procesos, se obtiene una nube de puntos que representa la geometría
exterior del modelo.
✓ Tratamiento de la nube, post-procesamiento. Mediante el programa Geomagic,
se reconstruye el modelo computacional, con el objetivo de que este
represente al original con la menor desviación posible. En este proceso, se pasa
de una nube de puntos inconexos, a un primer modelo sólido. En este caso, al
preparar el modelo para un proceso de optimización topológica, deben
rellenarse todo tipo de oquedades y desahogos del modelo original, con el fin
de obtener únicamente el volumen exterior, pues la propia herramienta de
optimización será la encargada de generar estas zonas.
✓ Análisis por elementos finitos. Utilizando el programa ANSYS Workbench 17.1,
se somete el modelo a los diferentes esfuerzos y condiciones de contorno, con
el fin de determinar las zonas críticas de tensiones y deformaciones que se
generan en la pieza. Gracias a este primer análisis y con ayuda de la extensión
de optimización topológica, el programa es capaz de detectar qué diferenciales
del modelo se encuentran menos solicitados, con el fin de retirar material de
Proceso completo de optimización topológica
28
estas zonas y obtener un diseño que cumpla las mismas solicitaciones que el
modelo original, reduciendo considerablemente su masa.
✓ Impresión en 3D y ensayos sobre el diseño final. Se ha seleccionado la
impresión en 3D como método para la obtención de prototipos funcionales del
modelo, debido a que las geometrías obtenidas por el método de optimización
topológica suelen ser complicadas de fabricar. Con respecto a las pruebas sobre
el modelo final, se someterá el diseño a ensayos de tracción a fractura para
comparar los resultados teóricos obtenidos con el programa, con la resistencia
real del modelo.
✓ Conclusiones. Por último, se considera de gran importancia en este proyecto la
interpretación de los resultados obtenidos, así como la detección de posibles
fallos o factores mejorables en el proceso.
Proceso completo de optimización topológica
29
1.4 Conclusiones
En este capítulo se han analizado de manera general las diferentes partes que
componen el proyecto. Es de especial importancia, entender la necesidad de integrar
estas tres tecnologías (escaneado, optimización e impresión en 3D) con el objetivo de
desarrollar y sistematizar un método valido y coherente para la resolución de este tipo
de problemas.
Por otra parte, con respecto a la motivación del proyecto debe quedar claro que, más
allá de estandarizar una metodología organizada para la optimización topológica, es de
gran relevancia la investigación sobre las limitaciones de las diferentes herramientas
informáticas que intervienen en el proceso.
Por último, en el final de este capítulo, se ha analizado de manera esquemática la
metodología a seguir durante el transcurso de las diferentes etapas del proceso,
presentando así este Proyecto de Fin de Grado.
Proceso completo de optimización topológica
30
Proceso completo de optimización topológica
31
CAPÍTULO 2
ESTADO DE LA
TÉCNICA
Proceso completo de optimización topológica
32
2.1 Introducción
Para comenzar el proceso de ingeniería inversa, el escaneo de la pieza será realizado
mediante un láser acoplado a un brazo de medición por coordenadas (marca FARO) y
un elemento de medición por luz estructurada (marca Capture).
Los datos serán recogidos en el programa Geomagic, que posteriormente servirá para
tratar la nube de puntos hasta conseguir el modelo final que será exportado en su
formato correspondiente a Ansys. Este será el programa utilizado para llevar a cabo el
análisis por elementos finitos, y gracias a su extensión de optimización topológica se
podrá obtener el modelo optimizado de la pieza (mínimo peso posible para mantener
las propiedades de resistencia frente a esfuerzos dentro de los rangos admisibles).
Posteriormente, el modelo obtenido será trasladado al programa SpaceClaim de Ansys,
con el objetivo de regularizar la superficie para poder obtener un diseño imprimible en
3D.
A continuación, el modelo será generado por el método de impresión 3D que se
adapte mejor a la geometría obtenida y, finalmente, el prototipo será ensayado en una
máquina de tracción.
En este capítulo, se explora toda la información referente a las etapas anteriormente
mencionadas, con el objetivo de obtener una idea detallada del nivel de desarrollo de
las diferentes tecnologías que intervienen en el proceso completo de optimización
topológica de una pieza.
Proceso completo de optimización topológica
33
2.2 Ingeniería inversa y metodologías de escaneo de piezas
El término “Ingeniería inversa”, nace durante el transcurso de la Segunda Guerra
Mundial. Los equipos de investigación de los diferentes ejércitos, incautaban el arsenal
enemigo con la finalidad de conseguir información para mejorar el suyo propio. Así
nace la ingeniería inversa, cuyo objetivo se basa en obtener información de un diseño
mediante el razonamiento abductivo, con el único fin de asegurar una mejora
continua, basada en conceptos ya existentes.
Hoy en día, los elementos más sometidos a esta metodología son programas
computacionales y componentes electrónicos, pero cualquier producto es susceptible
de ser objeto de la ingeniería inversa. Este método se denomina así porque avanza en
dirección opuesta a las tareas habituales en un proceso de ingeniería, empezando por
el modelo final y no por un concepto a desarrollar.
Figura 2.2.1 Proceso de ingeniería inversa
En el ámbito que nos ocupa, han surgido numerosos avances que facilitan la obtención
de modelos computacionales tratables por medio de software. Este es el caso de las
máquinas de medición tridimensional, capaces de reconocer mediante diversas
tecnologías, la topología de un elemento concreto y trasladar esta información a un
ordenador para su posterior tratamiento.
Proceso completo de optimización topológica
34
Dentro de las máquinas de medición tridimensional, cabe destacar el escáner por láser
y el escáner por luz estructurada (que serán los métodos utilizados en el proyecto para
la obtención del modelo computacional). No obstante, existen varias posibles
alternativas como la fotogrametría, que actualmente está alcanzando un alto nivel de
desarrollo, o la obtención de modelos por contacto directo con palpador. Sin embargo
estos otros métodos no resultan tan eficaces como los dos mencionados
anteriormente, si bien es verdad que la fotogrametría está comenzando a utilizarse
con gran frecuencia en el panorama industrial y arquitectónico. La medición por
palpador es un método complejo, pues requiere de una calibración muy precisa y es
extremadamente lento para la obtención de un modelo completo geometrías
complicadas.
Figura 2.2.2 Ejemplo de programa de fotogrametría
Figura 2.2.3 Máquina de medición tridimensional con palpador
Proceso completo de optimización topológica
35
El funcionamiento del escáner láser es el siguiente: un haz de luz láser incide sobre un
objeto y, mediante un sensor, se detecta la posición de este sobre la geometría del
elemento. De esta forma el software es capaz de generar una nube de puntos a partir
de la información recibida. Resulta de gran importancia para el éxito del proceso,
calibrar previamente el láser mediante una placa patrón. El proceso de calibración se
encuentra bastante automatizado y, entre otras finalidades, consigue determinar un
rango de distancias a las que debe colocarse el emisor para obtener un buen modelo
computacional.
Figura 2.2.4 Escáner láser FARO
El método de escáner por luz estructurada se fundamenta en la emisión, por parte de
un foco, de patrones de luz concretos. El propio instrumento recibe la luz reflejada y
comparar estos datos con su información almacenada, de manera que es capaz de
reconocer la estructura del objeto en cuestión. En comparación con el escáner láser, la
calibración es automática y el número de escaneos necesarios para construir el
modelo es significativamente menor, pues el rango de distancia entre el elemento
emisor y la pieza a escanear es más grande. Gracias a esto, se considera que el escáner
por luz estructurada es más rápido en la mayoría de los casos. Sin embargo, tiene una
serie de inconvenientes, entre los que destaca la sensibilidad a la luz ambiente y a los
reflejos. El escáner de luz estructurada ha de realizarse en condiciones de poca
luminosidad y asegurarse de que la pieza ha sido limpiada a conciencia previamente
para evitar fallos en la recepción de la información.
Proceso completo de optimización topológica
36
Figura 2.2.5 Escáner de luz estructurada CAPTURE
Las nubes de puntos obtenidas con cualquiera de los dos métodos, deben pasar a
continuación por un post-procesador (Geomagic en este caso) para obtener un modelo
final que, en el caso que nos ocupa, será sometido a un análisis funcional por
elementos finitos para su posterior optimización topológica. Por tanto, el proceso de
ingeniería inversa comenzaría con el escaneo, donde un programa genera la nube de
puntos, para pasar a continuación por un post-procesado, donde se da forma a la pieza
y se obtiene el modelo del diseño original.
Figura 2.2.6 Ventana gráfica del programa Geomagic
Proceso completo de optimización topológica
37
A modo de resumen, conviene destacar que las nubes de puntos obtenidas por los
diversos métodos de escaneo, son reconocidas en el programa de manera
completamente desestructurada. En este sentido, el primer paso en la utilización del
Geomagic reside en ensamblar las diferentes capas de puntos obtenidas directamente
por el método seleccionado en cada caso. Posteriormente se procede a mejorar el
modelo mediante el tratamiento de los puntos por medio de reducción de
solapamientos, simplificación de bordes, reducción del nivel de ruido, relleno de zonas
que no hayan sido capturadas, homogeneización de superficies etcétera.
En general, el método de escaneo de piezas para la obtención de modelos
computacionales, se encuentra bastante estandarizado, si bien es verdad que existen
ciertas desigualdades en el resultado, dependiendo de la metodología elegida. En el
Capítulo 3, se hablará en profundidad de las diferencias obtenidas en los modelos por
cada uno de los métodos, así como de todas las complicaciones que hayan podido
surgir durante el proceso. Esta etapa del proyecto, es fundamental para el correcto
desarrollo del mismo, pues la obtenido de un buen modelo, condiciona en gran
medida las futuras interacciones sobre el mismo. Es ilógico pretender obtener un
diseño correctamente optimizado sin disponer de un modelo previo de calidad.
Proceso completo de optimización topológica
38
2.3 Optimización topológica
En el año 1960, el matemático Schmidt propuso una revolucionaria idea que dio origen
a una nueva disciplina: en ingeniería, por término general, se trata de diseñar objetos o
sistemas de coste mínimo que durante su vida útil, deben ser capaces de resistir las
solicitaciones requeridas en cada caso. Por lo tanto, los problemas de optimización en
el diseño, podrían ser planteados de forma sistemática en términos de problemas de
minimización bajo restricciones, pudiendo ser así resueltos mediante técnicas de
programación no lineal, utilizando herramientas computacionales.
Desde entonces, y bajo diferentes enfoques, la optimización de formas y dimensiones
en ingeniería estructural, se plantea de manera habitual desde formulaciones de
mínimo peso, con restricciones no lineales impuestas con el objetivo de limitar los
valores admisibles en lo referente a campos de desplazamientos y tensiones.
Sin embargo, desde el año 1988, Bendsoen y Kikuchi desarrollaron los conceptos
básicos de optimización topológica desde formulaciones de máxima rigidez. En base a
este tipo de planteamiento se pretende distribuir una cantidad predeterminada de
material en un reciento de forma que busque minimizar la energía de deformación de
la pieza resultante para un estado de carga determinado.
De esta manera, se evita tener que trabajar con numerosas restricciones no lineales,
teniendo en cuenta el alto número de variables de diseño que es consustancial a los
problemas de optimización topológica. A cambio, no es posible contemplar estados de
carga múltiples y las formulaciones de máxima rigidez, conducen por lo general a
problemas intrínsecamente mal planteados, donde se obtienen soluciones
indefinidamente oscilantes al refinar la discretización.
En concreto, en lo referente a este proyecto, la optimización de topología será
realizada sobre el modelo escaneado en los siguientes pasos:
✓ Tratamiento de la geometría, con el fin de obtener una malla de calidad,
mediante la cual el programa es capaz de dividir el diseño en pequeñas
estructuras que pueden ser tratadas de manera más sencilla.
✓ Imposición de las restricciones de contorno, en lo referente a las cargas a
soportar por el modelo, desde las fuerzas directas a las que la pieza estará
sometida, hasta esfuerzo indirectos derivados del funcionamiento de la pieza.
✓ Dentro de la propia optimización, en el programa computacional es necesario
definir nuevas restricciones, que hacen referencia a las superficies y volúmenes
Proceso completo de optimización topológica
39
que deben ser excluidos de la optimización, con el fin de que la pieza mantenga
unas características externas, que son necesarias para su funcionalidad final,
como las zonas de apoyo de los tornillos. Además es importante asegurar una
continuidad física del volumen completo de la pieza, pues en ciertas ocasiones,
el programa puede decidir que no es necesaria la pieza al completo (por
ejemplo en el caso de que cierta zona no sufra ningún tipo de esfuerzos). En
estos casos, es necesario definir restricciones que permitan al programa extruir
material adicional dentro del volumen de la pieza original, que faciliten la unión
del diseño completo.
✓ Finalmente, debido a la complejidad de las geometrías obtenidas, es
importante tratar el modelo obtenido, con el fin de hacerlo fabricable, hecho
que no siempre resulta sencillo, sobre todo en modelos que provienen de
escaneos en 3D, donde la geometría no es exacta en la mayoría de los casos
(caras con ligeras ondulaciones, esquinas redondeadas o aristas mal definidas).
En este ejemplo, podemos comprobar la importancia del tratamiento del modelo
optimizado. Se trata de un gancho que sostiene una carga vertical hacia abajo.
Figura 2.3.1 Perfil de optimización topológica
Proceso completo de optimización topológica
40
En conclusión, la optimización topológica actualmente está restringida a problemas de
cargas aisladas y no variables, debido a la falta de linealidad de las restricciones
necesarias para la obtención de modelos a nivel matemático computacional. Así
mismo, otros hechos que resultan clave para el éxito del proceso son le correcta
definición de restricciones propias de la optimización (región a optimizar) y el post-
tratamiento de la información obtenida.
Se considera que actualmente los métodos de optimización topológica se encuentran
en un estado prematuro de desarrollo, lejos de una estandarización concreta. Los
programas utilizados (Ansys Workbench en este caso), mejoran enormemente de
versiones anteriores a más modernas, añadiendo incluso funciones completamente
nuevas, como tener en cuenta para la distribución de la topología, la resonancia propia
de la pieza, evitando así posibles colapsos que pueden producirse incluso cumpliendo
las restricciones de tensiones y deformaciones.
Proceso completo de optimización topológica
41
2.4 Impresión de modelos en 3D
La impresión en 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición, donde un
objeto es creado tridimensionalmente mediante la adición sucesiva de capas de
material. La impresión en 3D, es por lo general un método más rápido, barato y fácil de
utilizar que otras tecnologías de fabricación por adición. Sin embargo, como cualquier
proceso industrial, se encuentra sometido a un compromiso entre el precio de coste
del proceso y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D
ofrecen a los desarrolladores del producto, la posibilidad de imprimir partes o
montajes completos y funcionales, que no podrían ser generados por ningún otro tipo
de método de fabricación. Es aquí donde la utilización de la impresión en 3D cobra
sentido dentro del proceso, pues las geometrías obtenidas por los métodos de
optimización topológica suelen ser de alta complejidad. Además, las tecnologías
avanzadas de impresión en 3D, pueden servir incluso como prototipos de productos.
Figura 2.4.1 Ejemplo de modelado 3D por capas
Desde el año 2003 ha habido un importante crecimiento en la venta de impresoras 3D.
De manera inversa, el coste de las mismas ha sido reducido en importante medida.
Una de las principales razones es que esta tecnología, abarca una serie de campos muy
amplios, tales como el diseño industrial, la arquitectura, la joyería, el calzado, la
automoción, ingeniería civil, educación, sistemas de información geográfica y muchos
otros. En relación a sus orígenes, en los años ochenta, se desarrollaron equipos y
materiales de fabricación de aditivos tempranos. En 1981, Hideo Kodama, invento dos
Proceso completo de optimización topológica
42
métodos de fabricación, precursores de los utilizados actualmente, basándose en
plásticos fotoendurecibles. Destacan a su vez grandes aportaciones en los años
ochenta por Alain Le Méhauté y Chuck Hull entre otros.
Dentro de los principios generales de funcionamiento de esta tecnología, el aditivo de
fabricación se lleva a planos virtuales de diseño asistió por ordenador (CAD) o
softwares de modelado y animación. Existe una enorme variedad de métodos
disponibles para la impresión en 3D, que dependen básicamente de las propiedades
finales requeridas y de la complicación geométrica del modelo. En este sentido, los
datos más relevantes suelen ser las tolerancias generales requeridas con respecto al
modelo original y las propiedades mecánicas del diseño. Este último es
extremadamente importante en este proyecto, pues las piezas impresas en 3D serán,
sometidas a ensayos que deben ser determinantes a la hora de comprobar la viabilidad
y la precisión del proceso completo de optimización topológica.
Figura 2.4.2 Ejemplos de geometrías irrealizables por otros métodos
Dentro de los materiales utilizados, obviamente una impresora 3D no puede utilizar
cualquiera, si bien es verdad que existe una amplia gama de materiales con diversas
propiedades, como transparentes, opaco, flexible, rígido, resistente a altas
temperaturas y mucho más. Esta es una de las razones por las que las tecnologías de
impresión 3D avanzadas pueden ser utilizadas como prototipos del modelo o diseño
original, si bien es verdad que por lo general el acabado superficial resultante no suele
ser de alta calidad. Sin embargo, este hecho no suele resultar relevante para las
propiedades deseadas de los modelos 3D. Si fuese así el caso, existen métodos por los
que se pueden obtener buenas propiedades con tolerancias de rugosidad de hasta 16
micras, que obviamente resultan más costos.
Proceso completo de optimización topológica
43
CAPÍTULO 3
OBTENCIÓN DEL
MODELO
COMPUTACIONAL
MEDIANTE ESCÁNER
TRIDIMENSIONAL
Proceso completo de optimización topológica
44
3.1 Introducción
La primera decisión a tomar en este proyecto, reside en la selección de una pieza
existente que se adapte a las condiciones requeridas. En este sentido, los factores más
importantes que han de tenerse en cuenta son el tipo de cargas a las que esté
sometido el diseño y la viabilidad para el escaneo.
Con respecto al primer condicionante, como se ha mencionado anteriormente, el
análisis necesario para llevar a cabo la optimización topológica, debe llevarse a cabo en
modelos sometidos a esfuerzos con poca o nula variabilidad. Por tanto, queda
descartado cualquier diseño de piezas móviles como pistones, brazos de carga y otros.
Por otra parte, con respecto a la viabilidad de escaneo, los requisitos son sencillos de
cumplir y encajan con algunos factores que vienen bien a la optimización topológica,
por ejemplo, la presencia de un gran número de oquedades y desahogos en la
superficie del modelo. Este hecho dificulta el escaneo de la pieza y se obtendrás zonas
huecas que deben ser rellenadas con el programa de post-procesado. Así mismo,
mientras la geometría de la pieza sea lo más robusta posible, existirá mayor cantidad
de material retirable de la misma.
Todos estos factores unidos, permitieron selección como pieza a optimizar, el soporte
lateral del bloque motor de una furgoneta de la marca Mercedes. La pieza presenta las
características adecuadas para el proceso, sobre todo en lo referente a la distribución
de esfuerzos. Su funcionalidad es la siguiente: sirve como anclaje lateral de la parte
delantera y trasera del motor y a su vez, dispone de una base donde se encuentra
alojado un soporte de sujeción para una de las ruedas de la cadena de distribución. Por
tanto, a priori, los esfuerzos a los que se verá sometida la pieza, serán ejercidos por la
diferencia entre las tensiones a un lado y al otro de la rueda de la cadena de
distribución, así como una ligera tracción generada por la separación entre las piezas
unidas del motor.
Teniendo todos estos datos en cuenta, se procede al escaneo de la pieza seleccionada
por los métodos de luz láser y luz estructurada.
Proceso completo de optimización topológica
45
3.2 Preparación de la pieza y los equipos
Los procesos de escaneo tridimensional de piezas son métodos delicados y que
requieren de una importante preparación para asegurar la precisión del resultado
final. En este sentido existen numerosos aspectos a tener en cuenta a la hora de
preparar tanto la pieza como las máquinas para evitar todo tipo de fallos que serían
reflejados en el primer modelo computacional. Algunos de estos fallos pueden ser
menores y corregibles, como agujeros en la superficie de la nube de puntos, o pueden
ser graves y determinantes para la elección del método de escaneo elegido, como no
reconocer una zona entera de la pieza o una curva concreta, pues estas son mucho
más complicadas de reproducir a posteriori.
En primer lugar, se hablará de la preparación de la pieza necesaria para obtener un
escaneo adecuado. En primero lugar, es altamente importante limpiar la superficie
completa de la pieza para evitar que el programa interprete como parte de la
geometría, zonas donde queda acumulada la suciedad. Estas zonas, pueden ser a su
vez motivo de reflejos indeseados que generen agujeros en la superficie del modelo
computacional, por lo que el primer paso sería la limpieza con agua y jabón de la
superficie de la pieza, con ayuda de un cepillo de pelo duro pero no metálico, para
evitar rayar la superficie.
Con respecto a los reflejos que puedan producirse en la pieza, puede resultar de
utilidad rociar un spray de color blanco sobre las zonas susceptibles a este fenómeno.
De esta manera se evita que la luz reflejada distorsione el modelo, obteniéndose así
mucha mayor precisión. Este punto es especialmente importante en el escáner por luz
láser, pues este requiere de una alta luminosidad exterior durante el proceso, por el
contrario que el método de luz estructurada que requiere de baja luminosidad. En el
caso de que existiesen zonas transparentes, también sería necesario rociar la pieza con
este spray para poder captar la geometría.
Otro hecho importante en la preparación de la pieza reside en seleccionar los patrones
a seguir durante el escaneo, en lo referente a la posición de la pieza. Esta debe
encontrarse siempre fija y si es posible, anclada a una superficie de referencia, pues si
se mueve durante el escaneo, el modelo obtenido no es válido en ningún caso. Por
tanto hay que diseñar previamente las posiciones de colocación de la pieza y las
direcciones de los barridos (sobre todo con el escáner láser) para asegurar pasar por
toda la geometría de la pieza. Es de destacar que en esto procesos se busca la mayor
precisión posible y por tanto estos pasos han de seguirse de manera muy meticulosa.
Proceso completo de optimización topológica
46
Por parte de la preparación necesaria para las máquinas que intervienen en el proceso,
resulta mucho más delicada la calibración del escáner láser, pues la del elemento de
medición por luz estructurada se realiza de manera automática con los patrones de luz
emitidos y la distancia del objeto a escanear. Para calibrar el escáner láser (Faro) es
necesario calibrar primero el cabezal del palpador que se encuentra en el brazo de
medición. De esta manera, el equipo reconoce la posición del brazo de medición en
todo momento. A continuación se muestra en la figura 3.2.1 el elemento utilizado para
reconocer la posición del cabezal del palpador durante la calibración realizada.
Figura 3.2.1 Calibrador del palpador utilizado en el proyecto
El proceso a seguir en este caso es sencillo, simplemente se coloca el palpador
apoyado sobre la superficie superior, asegurándose de que la esfera esté en contacto
con las tres superficies del soporte y el programa de manera automática reconocerá la
posición del palpador.
El siguiente paso es la calibración de la luz láser mediante un elemento que funciona
como patrón de reconocimiento. En la figura 3.2.2 se muestra dicho calibrador.
Proceso completo de optimización topológica
47
Figura 3.2.2 Patrón para la calibración del láser
El procedimiento a seguir, consiste en hacer pasar repetidas veces la luz láser emitida
por el aparato a calibrar a diferentes distancias, de modo que el programa es capaz de
ajustar la luz del láser a las intensidades requeridas.
Tras realizar estos imprescindibles pasos, se considera que la pieza y los aparatos están
listos para comenzar con el proceso de escaneo.
Proceso completo de optimización topológica
48
3.3 Escaneo de la pieza
Como se ha mencionado anteriormente, uno de los factores clave para conseguir un
correcto escaneo se basa en diseñar una estrategia en cuanto a posicionamiento de la
pieza y barridos del láser se refiere. En este apartado se describe el proceso llevado a
cabo durante el escaneo de la pieza por el método de luz láser y el de luz estructurada.
Con respecto al método de escaneo por luz láser, la pieza es posicionada en una mesa
de mármol de referencia que ha de permanecer completamente inmóvil para asegurar
que no sucede ningún tipo de movimiento accidental durante el escaneo, lo que
dañaría los datos obtenidos. Por cuestiones geométricas los soporte del bloque motor,
se decide que el proceso óptimo a seguir consiste en situar la pieza delante del láser e
ir moviéndola sobre su punto central, tras realizar cada barrido desde fuera hacia
dentro con el escáner. Esta idea, en primer lugar facilita mantener una posición
cómoda de las manos durante el escaneo, cosa que a priori no resulta sencilla, pues las
pasadas han de realizarse lentamente y el escáner posee un peso considerable para ser
manipulado exclusivamente con las manos. En segundo lugar, se permite acceder a
toda la geometría de la pieza en solo varias pasadas.
En este caso, no se ha requerido de ningún tipo de spray para captar zonas reflejantes
de la pieza. Además, las oquedades y desahogos no precisan de ser captados, pues
serán eliminados en el proceso de optimización topológica posterior, o en su defecto,
el programa los generará automáticamente en el modelo si resulta conveniente. A
continuación, en la figura 3.3.1, se muestra una imagen del escaneo sobre la pieza
seleccionada para el proyecto. En la imagen se puede apreciar la distancia requerida
para el correcto funcionamiento del escáner, que suele oscilar entre 5 y 7 centímetros.
Figura 3.3.1 Escáner láser sobre la pieza
Proceso completo de optimización topológica
49
Un hecho importante a la hora de tener en cuenta sobre el escáner láser, resulta
mantener controlado en todo momento la posición del cabezal del palpador, pues se
trata de un elemento frágil y, al no intervenir en el escaneo, suele pasar desapercibido
durante el proceso y puede recibir golpes si se acerca mucho el láser a la pieza. En este
caso, se decide también que la forma óptima de realizar el escaneo es con la pieza en
posición horizontal, debido a que de esta manera posee mayor equilibrio. Por tanto,
han de realizarse dos fusiones de barridos (cara posterior y anterior) con sus
correspondientes nubes de puntos, que finalmente serán unidas en una sola para dar
lugar al modelo final.
Los pequeños barridos que se van realizando sobre la pieza deben ser de pequeño
tamaño para que el programa no se sature al generar la nube de puntos y obtener así
una mejor precisión. Los barridos, son unidos por el programa de manera automática,
sin embargo en la mayoría de las ocasiones, la unión no se realiza correctamente. Esto
no supone un grave problema a nivel de resultado final, pues en el post-procesador
puede ser corregido sin problema, sin embargo aumenta en gran medida el nivel de
trabajo a realizar sobre la primera nube de puntos, hasta que esta pueda ser tratada a
nivel de estructura matemáticamente solidificable.
Por otra parte, con respecto al escáner por luz estructurada, el proceso realizado sin
duda resulta más eficaz en cuanto a tiempo de escaneo, pues el mayor espectro de
este aparato permite escanear a la pieza en muchos menos barridos y las uniones de
nubes de puntos suelen resultar más factibles.
En este caso, se sitúa la pieza a unos 20 centímetros del cabezal emisor de luz y se
requiere de un ambiente con muy baja luminosidad. En la figura 3.3.2 se puede
observar la preparación del escáner de luz estructurada frente a la pieza. Por tanto,
podemos concluir que cada uno de los métodos posee ciertas ventajas e
inconvenientes en diferentes aspectos que intervienen en el escaneo. Sin embargo, el
resultado final debería ser muy similar en ambos casos. Se hablará de las diferencias
obtenidas y los criterios de selección de la nube de puntos en el siguiente apartado.
A modo de pequeño resumen, el escáner de luz estructurada es más rápido y requiere
de menor preparación, sin embargo el escáner láser requiere de menos condiciones
específicas para funcionar y permite mayor flexibilidad a seleccionas zonas concretas
de escaneo, ya sea por su complejidad o por fallos en primeras pasadas. En este
proyecto, no se requiere de precisión en zonas geométricamente complejas o difíciles
de alcanzar, por lo que en principio este factor no sería determinante, si bien es verdad
que el tiempo tampoco resulta un hecho decisivo.
Proceso completo de optimización topológica
50
Figura 3.3.2 Escáner de luz estructurada
En la siguiente figura 3.3.3, se puede apreciar el escáner de luz estructurada en
funcionamiento, así como las condiciones específicas de las que se ha hablado durante
este y otros apartados.
Figura 3.3.3 Escáner de luz estructurada en funcionamiento
Proceso completo de optimización topológica
51
3.4 Comparativa entre las nubes de puntos obtenidas
Como se ha mencionado anteriormente, las desigualdades entre los dos modelos
obtenidos no deben ser muy significativas en cuanto a precisión o nivel de detalle, sin
embargo merece la pena describir algunas de las diferencias encontradas y sobre todo,
lo criterios de selección utilizados para escoger la que será la nube de puntos utilizada
para obtener el modelo computacional de la pieza.
A continuación, en las figuras 3.4.1 y 3.4.2, podemos observar las nubes de puntos
obtenidas por el método de luz láser y luz estructurada respectivamente. Cabe
destacar, que para realizar una comparativa valida, es preciso ensamblar primero los
escaneos de ambos modelos para tener una mejor visión de las zonas que han sido
captadas en el conjunto global de la pieza. Con este fin, se utiliza el programa
Geomagic como post-procesador de la nube de puntos, siendo este el primer paso
hacia la obtención del modelo final previo a la optimización topológica.
Figura 3.4.1 Nube de punto escáner láser
En esta primera imagen, podemos observar desde la ventana gráfica del programa
Geomagic, la primera nube de puntos ensamblada del modelo computacional,
obtenida mediante el escáner láser.
Proceso completo de optimización topológica
52
En la imagen podemos apreciar una serie de zonas con falta de información, que el
programa no ha podido recoger. Sin embargo, Estas zonas no son relevantes para
obtener el modelo final, pues la optimización topológica será la encargada de generar
estos huecos con el fin de reducir la cantidad de material lo más posible ante unos
esfuerzos que serán predeterminados en la siguiente herramienta informática que será
utilizada.
Por otra parte, en cuanto a la calidad de la nube, podemos decir que es
suficientemente densa y representativa de la pieza, por tanto se puede dar por válida.
En este caso, el único punto de desventaja de este modelo, reside en que no se
consiguió captar bien alguno de las zonas más complicadas de la pieza, cerca de los
soportes para los tornillos. Al tener estas superficies una geometría complicada, será
difícil reproducirlas o volverlas a generar en el programa de post-procesado.
A continuación, se muestra una imagen del modelo obtenido por el método de
escaneo por luz estructurada, donde se puede apreciar una resolución y calidad de la
nube muy similar, como era de esperar.
Figura 3.4.2 nube de puntos obtenida por luz estructurada
En este caso podemos apreciar como existen más zonas corruptas, donde se han
captados algunos puntos que no corresponden con la superficie de la figura. Sin
embargo, esto es muy sencillo de eliminar con el post-procesador, por lo que no
constituye un problema o un punto crítico de cara a la elección del modelo utilizado.
Por otra parte, en este caso se han captado mucho mejor las zonas de geometría
compleja y necesaria para el modelo, por lo que se considera que este, posee mejor
calidad que el obtenido mediante el método de escáner por luz láser.
Proceso completo de optimización topológica
53
Este hecho no quiere decir que el método de luz estructurada siempre obtenga
mejores resultados a nivel general que le método de luz láser. Como se ha visto en
apartados anteriores, ambos poseen sus ventajas y sus inconvenientes y su utilización
depende de las características específicas, no tanto deseadas en el modelo, si no
referentes al transcurso del escaneo, como condiciones de la pieza, del entorno de
trabajo o de los aparatos disponibles.
Por lo tanto, podemos concluir que, en este caso, el modelo obtenido por el método
de la luz estructurada posee mejor calidad para cumplir con los requisitos específicos
de esta pieza y para su posterior optimización topológica, por lo tanto será el modelo
utilizado. Por otro lado, el modelo obtenido con el escáner láser será desechado.
Como se ha podido comprobar, la comparativa entre ambos modelos se lleva a cabo
de manera puramente cualitativa, si bien es verdad que existen ciertos medidores de
la calidad de la nube de puntos como la densidad de la misma o el solapamiento. Sin
embargo, como era de esperar, estos medidores no aportan demasiada información,
pues las medidas son muy similares en ambos métodos, por lo tanto la decisión se ha
tomado en función a la subsanabilidad de los errores encontrados en los modelos,
recayendo la mayoría de estos, en la captación de las geometrías más complejas y
difíciles de alcanzar con los escáneres.
Una vez que disponemos de este primer modelo computacional, es momento de
comenzar con su tratamiento, con el objetivo de disponer de una superficie de la
mayor calidad posible para poder ser tratada por elementos finitos en el siguiente
programa utilizado, que será Ansys Workbench en este caso. Con este objetivo, en el
siguiente apartado se definen todos los procesos a seguir en el post-procesamiento de
la nube de puntos, necesarios para conseguir un modelo de calidad.
Proceso completo de optimización topológica
54
3.5 Tratamiento de la nube de puntos
Sin duda, el tratamiento de la nube de puntos obtenida, es uno de los puntos clave de
este proyecto, pues en este momento se construye el primer modelo computacional
sólido. El objetivo de esta etapa es pasar de un modelo básico y sin superficies
definidas, a un modelo exportable a Ansys Workbench, donde se pueda tratar la
geometría de manera precisa, distinguiendo entre las diferentes caras de cuerpo
global. Este hecho, puede parecer algo sencillo a priori, sin embargo es importante
destacar que, al tratarse de un modelo escaneado, en ningún momento se han creado
superficies que el programa vaya a interpretar posteriormente como caras del diseño,
siendo estas fundamentales para la implementación de las condiciones de contorno.
A continuación, se explica el proceso detallado a seguir, para conseguir los objetivos
anteriormente descritos y así, poder finalizar con un modelo de calidad. Se dividirá el
proceso en 6 etapas, cada una de las cuales se encargará de corregir una serie de
aspectos específicos. Es de suma importancia realizar las diferentes etapas en el orden
correcto, pues de otro modo el resultado no sería el esperado. Se describirán las
etapas de manera ordenada y para un procedimiento genérico, sirviendo así de
referencia para posteriores proyectos similares. Posteriormente, se verá la aplicación
real de cada una de las diferentes etapas sobre el modelo correspondiente a este
proyecto.
Etapa 1: Alineamiento.
En el caso de que la pieza no se haya podido escanear de una sólo vez, se tendrá más
de una nube de puntos, cada una representando una geometría parcial de la pieza y
desalineadas. En ese caso se hace necesario alinear dichas nubes de puntos para
terminar con una única nube final que represente a la pieza de manera global.
Con este fin, Geomagic dispone de una ventana de alineamiento entre conjuntos,
subconjuntos y el término global del diseño. La metodología a seguir es sencilla,
simplemente se seleccionan tres puntos de cada una de las partes a ensamblar que
coincidan geométricamente de manera respectiva. De esta forma el programa alinea
los diferentes escaneos, que posteriormente han de ser guardados como un pequeño
subconjunto, al que se van añadiendo más escaneos progresivamente.
Proceso completo de optimización topológica
55
Etapa 2: Limpieza y mejora de la nube de puntos
El objetivo de esta etapa se basa en tratar la nube de puntos con el fin de
transformarla posteriormente en una malla con la mejor calidad posible. Esta etapa del
proceso se realiza de manera semiautomática por parte del programa. Simplemente se
indican los procesos a seguir, de manera que la herramienta computacional mejora la
calidad de la malla automáticamente. Algunas de las acciones requeridas son reducir la
densidad de la nube de puntos, con el fin de poder tratarla de manera más rápida, al
reducir la cantidad de datos a procesar, y a su vez obtener un modelo más limpio, que
represente mejor las verdaderas superficies de la pieza.
Eliminar el solapamiento en la medida de lo posible, es otra de las acciones principales
a realizar en esta etapa del proceso, que de nuevo se realiza de manera
semiautomática.
La acción más importante a realizar en esta etapa consiste en rellenar los agujeros no
captados por el escáner en el modelo computacional. Con este fin, el programa
dispone de una serie de comandos para rellenar los diferentes agujeros de tres
posibles maneras: natural (intuyendo la posible geometría faltante), tangencial
(reduciendo mucho la curvatura del entorno) o completamente recto, uniendo las
zonas sin puntos mediante nubes rectas.
En la siguiente figura 3.5.1, se puede apreciar como el programa propone una manera
de rellenar el agujero que se adapta bien a la geometría perdida.
Figura 3.5.1 Rellenado de agujeros
Proceso completo de optimización topológica
56
Este hecho no suele darse de manera natural durante la mayoría del proceso, por lo
tanto hay que buscar zonas donde poder rellenar los agujeros de manera recta y
posteriormente conectarlos naturalmente. Este ha resultado ser el mejor modo de
representar la geometría real de la pieza. Cabe destacar que el modelo escaneado
poseía en torno a veinte mil agujeros inicialmente. Obviamente no tiene sentido
plantearse realizar esta técnica de uno en uno. La solución es utilizar el comando
existente para rellenar todos los agujeros al mismo tiempo, utilizando las tres maneras
anteriormente expuestas y decidir cuál de ellas representa mejor la geometría de la
pieza. En este caso, se ha optado por rellenar agujeros de manera recta, pues los otros
comandos no intuían bien la superficie de la pieza, generando curvas ilógicas.
Etapa 3: Transformación de la nube de puntos en una malla de triángulos
En este caso, si los pasos anteriores se han seguido correctamente, solo es necesario
aplicar un comando para convertir la nube de puntos en una malla de triángulos. Esta
será la primera vez que el modelo tendrá una geometría como tal, pues antes eran
simplemente puntos que la representaban.
Sobre este primer modelo geométrico, se aplican las etapas sucesivas hasta conseguir
un modelo sólido y exportable. A continuación se muestra en la figura 3.5.2 una
imagen del primer modelo mallado de la pieza, donde se sigue viendo la nube de
puntos sobre la superfice.
Figura 3.5.2 Modelo mallado sobre la nube de puntos
Proceso completo de optimización topológica
57
Etapa 4: Limpieza y mejora de la malla de triángulos
EL objetivo de esta etapa consiste en convertir la malla en una representación de
calidad del contorno exterior del conjunto de la pieza. Para ello existen diferentes
comandos que transforman geometrías existentes en formas predeterminadas, hecho
que resulta extremadamente útil a la hora de transformar modelos provenientes de
escaneos. Por ejemplo, en este caso se ha utilizado el comando agujero cilíndrico para
conseguir obtener las zonas interiores donde van alojados los tornillos en la pieza.
Estas son zonas completamente inaccesibles para el escáner por razones obvias, y
altamente importantes para el posterior análisis de esfuerzo en Ansys Workbench,
debido a que la principal condición de contorno pasa por la sujeción de la pieza en
estas superficies. Por tanto, seguramente el proyecto entero no hubiera sido posible
de realizar sin la existencia de este comando.
Sin embargo, existe una gran complicación que surge del intento de rellenar las zonas
de desahogos en la pieza. En el programa existe un comando que genera geometría
hasta la altura impuesta por un plano de referencia que puede colocarse donde se
desee. Sin embargo, esta posibilidad no resulta factible en la pieza, pues se necesita el
mismo concepto, pero aplicado a una sola zona de la geometría de la pieza (en
concreto las partes central y posterior, que se encuentran completamente vaciadas).
Este hecho es debido a que la optimización topológica aún se encuentra en desarrollo
a nivel informático y por tanto, otros programas ajenos a ellas no están preparados
para cumplir con las necesidades específicas requeridas parar el tratamiento de los
modelos computacionales. De otra manera, no sería necesario llenar zonas de las
piezas, pues no representa la geometría real, pero en este caso es imprescindible y el
programa no dispone de esta opción.
Sin embargo, este inconveniente se consiguió solventar de la siguiente manera:
volviendo al modelo de nube de puntos, se eliminan por completo las geometrías
interiores al contorno de la pieza y se rellena posteriormente como un agujero plano
de grandes dimensiones. Esta idea consiguió que se siguiese adelante con el proyecto.
Finalmente, se realizan tratamientos adicionales sobre la superficie de triángulos, tales
como la regularización de la llama, suavizamiento de la misma, reducción del nivel de
ruido, de la densidad de triángulos y definiendo de manera más precisa los bordes y
artistas de la pieza (hecho clave, como se ha comentado anteriormente).
Proceso completo de optimización topológica
58
A continuación se muestra en la figura 3.5.3 una imagen de cómo se consiguió rellenar
las caras completas de la pieza como agujeros planos. En la figura 3.5.4 se muestra el
resultado final de tratamiento de la malla, previo a su conversión en sólido
.
Figura 3.5.3 Relleno de agujeros planos para conseguir generar las caras del contorno
Figura 3.5.4 Modelo final previo a conversión en sólido de la malla de triángulos
Proceso completo de optimización topológica
59
Etapa 5: Conversión en sólido por superficies exactas
De nuevo, si se han realizados correctamente los anteriores pasos, esta etapa se
resume en un comando que crea el primero modelo sólido envolviendo la superficie de
triángulos. Este será el primero modelo computacional exportable y funcional en otros
programas. La pieza pasa de ser una simple malla a convertirse en un volumen al que
pueden atribuirse todas las propiedades de un sólido real. Escogiendo incluso el
material posteriormente, el programa es capaz de calcular el volumen de la pieza y su
peso y de esta manera, aseguramos que el modelo es hermético.
En la figura 3.5.5 se muestra el primero modelo sólido y resultado final de tratamiento
de la nube de puntos y del proceso de escaneo de la pieza para la obtención del
modelo computacional.
Figura 3.5.5 Primero modelo sólido
En la imagen se puede apreciar la gran resolución obtenida en el modelo. Sin embargo,
pueden observarse ligeras imperfecciones en algunas zonas concretas, sobre todo a la
hora de rellenar los desahogos debido al problema del programa anteriormente
mencionado. Estas imprecisiones no son relevantes, pues una vez el modelo es sólido
será exportado al programa Space Claim de Ansys, donde podrá ser tratado con mucha
mejor precisión para obtener el modelo computacional final previo a la optimización
topológica.
Proceso completo de optimización topológica
60
Etapa 6: Exportar el modelo final
En este caso, el programa que se va a utilizar a continuación de este, requiere exportar
el modelo en formato stp. Gracias a la compatibilidad entre estos programas, este
hecho pudo realizarse sin ningún inconveniente, si bien es verdad que el archivo era de
gran tamaño y tardó mucho tiempo en ser procesado por Ansys Workbench.
De esta manera finaliza el proceso de tratamiento de la nube de puntos, pasando el
modelo computacional obtenido a un segundo programa de post-tratamiento, esta vez
con un modelo sólido del que hablaremos en el próximo capítulo. La necesidad de
utilizar este segundo programa, surge por la falta de calidad en las caras generadas de
manera automática en el modelo sólido por Space Claim, si bien es verdad que las
aristas reales de la pieza si fueron representadas con alta calidad.
Proceso completo de optimización topológica
61
3.6 Conclusiones
Durante el transcurso de esta etapa del proyecto, se ha podido comprobar como la
gran mayoría de procesos involucrados poseen un gran nivel de desarrollo en cuanto a
funcionalidad pero no en cuanto a adaptación a la optimización topológica.
El mayor de los problemas reside en la ausencia de un comando que rellene material
hasta un plano bajo unas zonas parciales de la pieza, y no sobre el conjunto completo.
La solución sería implementar en el comando existente un modo boceto, donde definir
las zonas deseadas. El boceto se integraría con la propia pieza, de manera que
pudiesen reconocerse geometrías existentes y, gracias a esto, poder por ejemplo
realizar rectas sobre las aristas del modelo.
La ausencia de este comando condujo a solventar el problema mediante el comando
de relleno de agujeros planos, empeorando así considerablemente la calidad del
modelo final. Sin embargo como se ha comentado anteriormente, este hecho no
resulta muy relevante, pues la optimización topológica se encargará de crear
desahogos sobre estas zonas, generando superficies precisas que serán las fabricadas a
posteriori.
Otra carencia importante del programa, reside en no poder definir de manera directa
las caras de la pieza. La solución sería un comando (integrado igualmente con el modo
boceto) donde se definan estas superficies y las convierta en caras completamente
planas. La ausencia de este comando si pudo ser determinante en el éxito del proceso,
sin embargo al quedar bien definidas las aristas, simplemente se generaron numerosas
caras adicionales dentro de cada una de las caras reales.
Debido a esto, es hizo necesaria la utilización de otro programa de post-procesado
(Space Claim). Gracias a este programa, se pudo transformar el modelo sólido en una
geometría bien definida, sobre el contorno de la pieza y con las caras necesarias para
imponer correctamente las condiciones de contorno. Esto es debido a que las
condiciones de contorno residen en hacer saber al programa las restricciones reales de
la pieza en funcionamiento, que se describirán en el siguiente capítulo, al igual que el
proceso seguido en el Space Claim para conseguir el modelo que será sometido a la
optimización topológica.
Como conclusión final, se considera que los problemas acaecidos durante el transcurso
de esta etapa del proyecto han podido ser solventados sin demasiados inconvenientes,
obteniéndose así un modelo de alta calidad completamente valido para el proceso de
optimización topológica que se quiere realizar. A su vez, hay que tener en mente que
el modelo optimizado será posteriormente impreso en 3D, por lo que se podrá realizar
una comparativa física entre lo obtenido al final del proyecto, con la pieza real de la
Proceso completo de optimización topológica
62
que se partía en un comienzo. En este sentido, el capítulo final, recoge las diferencias y
principales problemas encontrados, así como una serie de propuestas y soluciones
para afrontar el proceso completo de optimización topológica aplicado a una pieza
existente. Aquí puede comprobarse la utilidad de los procesos de ingeniería inversa,
pues el diseño desde cero del modelo optimizado para las condiciones de contorno
impuestas, hubiese sido mucho más costoso tanto en tiempo como en cantidad de
recursos.
Proceso completo de optimización topológica
63
CAPÍTULO 4
OPTIMIZACIÓN
TOPOLÓGICA DEL
MODELO
Proceso completo de optimización topológica
64
4.1 Introducción
El objetivo de esta etapa del proyecto, consiste en emplear el modelo sólido obtenido
mediante el post-procesamiento de la información procedente del escáner
tridimensional, con el fin de realizar un cálculo por elementos finitos que sea capaz de
determinar las zonas más solicitadas del diseño ante una serie de esfuerzos y
condiciones de contorno concretos, con ayuda del programa ANSYS Workbench, en la
versión 17.1.
Una vez obtenida dicha información y mediante la extensión de optimización
topológica, será generado un modelo capaz de cumplir con los requisitos
predeterminados, reduciendo a su vez el peso del diseño en un porcentaje
considerable.
Cabe destacar que el primero modelo computacional exportado a ANSYS Workbench,
no resultó ser de la calidad esperada y por tanto ha sido necesario emplear un nuevo
software (Space Claim), capaz de tratar el diseño con el fin de hacerlo manejable en
Ansys. Adicionalmente, esta misma herramienta ha sido utilizada para el tratamiento
del modelo optimizado, con el objetivo de generar un archivo viable para ser impreso
en 3D.
Por tanto, el proceso que es descrito en este capítulo se estructura de la siguiente
manera:
✓ Tratamiento del modelo original mediante la herramienta Space Claim.
Preparación para la optimización topológica.
✓ Cálculo por elementos finitos de los esfuerzos generados en el diseño bajo las
condiciones de contorno a las que se somete al mismo.
✓ Optimización de la topología del modelo.
✓ Post-tratamiento del diseño mediante Space Claim. Preparación para la
impresión en 3D.
Proceso completo de optimización topológica
65
Posteriormente, en el capítulo se recoge una comparativa entre el modelo final
obtenido mediante la versión 17.1 de ANSYS, y el obtenido mediante la versión 18.1.
Cabe destacar que la versión 18.1 tiene incluida directamente la herramienta de
optimización topológica y por tanto no requiere de una extensión adicional. La
comparativa entre ambos modelos se realizará de manera puramente cualitativa, pues
no se profundizó en el funcionamiento del software en la versión 18.1.
Otro factor importante a tener en cuenta, hace referencia a la reducida antigüedad de
este tipo de herramientas informáticas. La extensión de la versión 17.1 utilizada en el
proyecto, carece de numerosas funciones, que deberán ser implementadas durante los
próximos años en futuras versiones. En este sentido, otro de los principales objetivos
de este capítulo se basa en aportar la mayor cantidad de información posible a cerca
de las carencias del software utilizado.
Proceso completo de optimización topológica
66
4.2 Preparación del modelo
Como se ha comentado anteriormente, ha resultado necesario para el correcto
desarrollo del proyecto, la utilización del programa Space Claim. En la figura 4.2.1, se
muestra una imagen donde se puede ver el modelo obtenido mediante el tratamiento
de la nube de puntos generada por el escáner de luz estructurada.
Figura 4.2.1 Modelo sólido trasladado a la ventana gráfica de ANSYS Workbench
Inmediatamente podemos identificar algunos de los problemas presentes en el
modelo. El primero de ellos, se trata del gran tamaño del archivo. Al generarse una
geometría que proviene de una malla con millones de puntos, la resolución del
programa puede hacer que las superficies resulten extremadamente irregulares a
pequeña escala, traduciéndose en un archivo difícil de manejar.
Proceso completo de optimización topológica
67
Otro de los principales problemas presentes en el modelo, resulta ser el gran número
de caras en las que el programa divide cada una de las superficies de la figura. Sin
embargo, en este sentido, la herramienta es capaz de reconocer todas las aristas como
límites laterales de las caras, hecho que hubiera sido mucho más complicado de
solucionar de no haber sido así (puesto que no existe un comando para separar caras).
La importancia de una correcta definición de las caras en el modelo, se hace necesaria
para la implementación de las condiciones de contorno del mismo. ANSYS Workbench
dispone de tres posibilidades para aplicar estas condiciones a la geometría del diseño,
a saber, líneas, superficies y volúmenes. En el caso que nos ocupa, todas las
condiciones, tanto de restricciones en los desplazamientos de la pieza, como en
imposición de las fuerzas a las que está sometida, han de ser aplicadas sobre
superficies.
Para solucionar este problema, Space Claim dispone de un comando capaz de fusionar
caras colindantes. Sin embargo, la herramienta presenta un inconveniente importante
y difícil de manejar para los intereses del proyecto. Al unir las caras, la geometría no se
mantiene constante, generándose así zonas con ondulaciones pronunciadas. La
metodología óptima a seguir para solventar dicho problema, pasa por juntar las caras
en grupos lo más reducidos posibles. Una vez se dispone de estas pequeñas
agrupaciones, se procede a unirlas entre sí para generar la superficie final. En la figura
4.2.2 se puede apreciar una imagen del proceso de unión de las caras en el diseño.
Figura 4.2.2 Proceso de unión de caras
Proceso completo de optimización topológica
68
Otro problema que se ha encontrado en el modelo, resulta ser el solapamiento de
ciertas superficies en zonas concretas de la pieza. El programa posee un comando para
eliminar el solapamiento, pero al tratarse de caras superpuestas pero no intersecadas,
no se reconoce ningún error sobre el modelo. La solución, pasa por eliminar las caras
conflictivas y utilizar el comando existente para rellenar agujeros. Sin embargo, el
programa no dispone de la opción que tenía la herramienta Geomagic, donde se podía
seleccionar el tipo de relleno de los agujeros (normal, tangencial o plano). Debido a
esto, al rellenar los agujeros se generaban superficies curvas no deseadas. Para
solventarlo, fue necesario realizar numerosos intentos de rellenar la superficie
faltante, con diferentes combinaciones de caras eliminadas, hasta que finalmente se
obtuvo un modelo correcto. En la figura 4.2.3, se puede ver el resultado final del
proceso de fusión de caras, previo al relleno del agujero más significativo, que apareció
en la zona frontal superior de la pieza.
Figura 4.2.3 Fusión de caras y superficie sin rellenar
Proceso completo de optimización topológica
69
Es importante mencionar que, como puede comprobarse en la imagen, al borrar
cualquiera de las caras del modelo, el programa entiende que la geometría no es
hermética y transforma el modelo sólido en una superficie abierta. Por tanto, será
necesario volver a transformar el modelo en sólido al finalizar este proceso.
Finalmente, un último inconveniente sobre el modelo es la imprecisión de la mayoría
de superficies resultante de todos los procesos realizados sobre las mismas. Para
solucionarlo, fue necesaria la utilización de una licencia adicional dentro del programa
Space Claim (STL prepare). Esta licencia incluye una serie de herramientas adicionales
que se encargan de afinar la calidad de la superficie del modelo, y será especialmente
importante en el post-procesado de la geometría optimizada, para obtener un modelo
con calidad suficiente para poder ser impreso en 3D.
En esta parte del proceso, la metodología a seguir se basa en reducir el diseño
mediante un programa que envuelve la superficie con cierto rango de tolerancia,
suavizando así las zonas irregulares. En primer lugar, hay que convertir el modelo (que
debe ser sólido) en una malla de triángulos. Posteriormente y tras aplicar el comando
ya mencionado, se vuelve a un modelo sólido.
En este punto surge uno de los mayores problemas encontrados durante el transcurso
del proyecto. Al transformar inicialmente el modelo a superficie y volver a
transformarlo en sólido, el tamaño del archivo aumenta de manera extremadamente
importante, haciéndose unas miles de veces superior al modelo original. Este hecho
imposibilita totalmente la utilización de los modelos tratados con la licencia de “STL
prepare” en el programa Ansys Workbench. Por tanto, para mejorar la geometría, se
ha utilizado exclusivamente el comando de mallado de Space Claim.
Por otra parte, el gran tamaño del archivo no dificulta en ningún caso la impresión en
3D del modelo final ya optimizado y tratado con el “STL prepare”, por tanto este si será
utilizado en el post-procesado.
En las figuras 4.2.4 y 4.2.5 se muestra como gracias al comando de mallado y
suavizando la geometría, se obtienen superficies mucho más regulares en comparación
con las originales (figura 4.2.1). Tras este proceso, se considera que la pieza está
preparada para poder ser analizada por elementos finitos en el programa ANSYS
Workbench.
Proceso completo de optimización topológica
70
Figura 4.2.4 Mallado y suavizado
Figura 4.2.5 Modelo final pre-optimización
Proceso completo de optimización topológica
71
4.3 Condiciones de funcionamiento de la pieza
Una vez obtenido el modelo final previo a la optimización topológica, el siguiente paso
tiene por objetivo simular mediante ANSYS Workbench, todas las condiciones de
funcionamiento de la pieza, desde sus restricciones en los desplazamientos, hasta las
fuerzas ejercidas sobre la misma. La correcta selección de estos parámetros es
fundamental para la obtención posterior del modelo optimizado, pues como se ha
mencionado anteriormente, el objetivo es poder reducir la cantidad de material
utilizado en la pieza, pudiendo esta seguir cumpliendo las solicitaciones de carga a las
que se encontrará sometida.
El primer paso a realizar, consiste en generar un mallado correcto. Gracias a esto, la
herramienta es capaz de dividir el modelo en pequeños elementos y, de esta manera,
analizar correctamente los esfuerzos a los que la pieza se encuentra sometida, una vez
se introduzcan las condiciones de contorno en el programa.
La calidad del mallado viene determinada por la homogeneidad y la ortogonalidad de
los triángulos en los que se divide la superficie del diseño. En este sentido, se podrá
comprobar si la calidad del modelo es suficiente, pues el programa posee una serie de
comandos capaces de generar la malla automáticamente, adaptándose esta lo mejor
posible a la geometría presente. En la figura 4.3.1 se puede apreciar que la calidad del
primer mallado obtenido es muy buena, pues lo tetraedros generados son regulares y
ortogonales en su mayoría.
Figura 4.3.1 Primer mallado de la pieza
Proceso completo de optimización topológica
72
Sin embargo, un pequeño inconveniente derivado de los procesos realizados sobre el
modelo, resulta ser el tamaño de las divisiones generada
s en la malla. A menor tamaño de las divisiones sobre la superficie, mayor será la
precisión en los resultados finales obtenidos. En la figura 4.3.2 se observa como el
programa no es capaz de procesar un mallado de menor tamaño, devolviendo un
error. Sin embargo se considera que la calidad de la malla obtenida es más que
suficiente para poder realizar la optimización de topología, pues los esfuerzos que
aparecerán en la pieza podrán ser calculados de manera correcta.
Figura 4.3.2 Error al intentar reducir el tamaño de los diferenciales en el mallado
Una vez obtenido un mallado con la suficiente calidad, es momento de imponer las
condiciones de contorno sobre el modelo. El objetivo de esta etapa se basa en
conseguir representar, de la mejor manera posible, los esfuerzos reales a los que se
encontrará sometida la pieza en funcionamiento.
Con este fin, se procede a identificar la funcionalidad exacta del diseño. La estructura
se encuentra anclada por su parte frontal y trasera por una serie de tornillos que la
sujetan a presión. Se denominará parte delantera del modelo a la zona donde solo
existe un alojamiento para tornillos. La zona trasera de la pieza, será por tanto la de
mayor espesor, y donde se encuentran dos zonas para el alojamiento de tornillos.
Proceso completo de optimización topológica
73
Existe una tercera zona en el modelo, situada en el lateral de la pieza sobre la parte
trasera, a la que se denominará zona de carga. La razón de esta denominación es que
esta será la sección de la pieza donde se recibe la mayor parte de esfuerzos externos.
Las condiciones, en lo referente a los desplazamientos, impuesta en el modelo son las
siguientes: Con el fin de permitir imponer cargas sobre las superficies de apoyo de los
tornillos, el modelo se encuentra empotrado en la superficie inferior de los apoyos de
la parte delantera y trasera del diseño. Esto es debido a que la pieza se encuentra
unida a dos partes diferentes del motor, que no poseen desplazamientos relativos
entre sí. No resulta factible imponer empotramiento en las superficies interiores de los
cilindros, pues estas zonas se necesitan para situar una ligera carga de tracción a la que
estará sometido el modelo como se explicará en próximos apartados.
Por parte de las fuerzas a las que se encuentra sometida la pieza, las condiciones
impuestas han sido las siguientes: una fuerza remota principal, ejercida sobre el
soporte presente en la zona de carga del modelo, además de una segunda fuerza
perpendicular a la misma y de menor tamaño. La razón de la existencia de estas
fuerzas reside en que este soporte, sostiene una de las ruedas de la correa de
transmisión del motor, por lo tanto se genera una fuerza que crea un momento flector
sobre la pieza, debida a la tensión total de la correa, y una segunda fuerza en dirección
perpendicular a la principal, debida a la diferencia de tensiones a un lado y a otro de la
rueda, que posibilita que esta gire. Un hecho interesante para el desarrollo del
proyecto, ha resultado ser variar la dirección de dichas fuerzas dentro de un ángulo
determinado. El objetivo es analizar posteriormente las diferencias sobre el modelo
optimizado en función abanico de posibilidades. En este sentido, al querer obtener un
único modelo para su posterior impresión en 3D, se seleccionará el que aporte una
geometría más homogénea y estable, pues este hecho facilitará el posterior
procesamiento del modelo.
Por otra parte, se ha impuesto una fuerza resultante de la presión que ejercerán los
tornillos sobre su superficie de apoyo superior. Este esfuerzo se traducirá en el grosor
y la topología de las zonas de apoyo.
Adicionalmente, y como ya se ha comentado, ha sido necesario imponer una ligera
fuerza de tracción aplicada entre las superficies interiores de apoyo de los tornillos,
pues de lo contrario, la extensión de optimización topológica entendía que no era
necesaria la existencia de ningún tipo de unión entre las dos partes de sujeción de la
pieza, pues no se transmitía ningún esfuerzo relevante entre las mismas.
En las figuras 4.3.3, 4.3.4, 4.3.5 y 4.3.6, se pueden ver, a modo de resumen, todos los
esfuerzos introducciones en el diseño desde la ventana gráfica del programa, así como
los valores de magnitud de los mismos. Cabe destacar que se han utilizado valores
reales para la imposición de las fuerzas a las que se somete al modelo, fruto de
Proceso completo de optimización topológica
74
investigación en las características de los tornillos y de la cadena de distribución del
motor.
Figura 4.3.3 Momento torsor
Figura 4.3.4 Presión ejercida por los tornillos
Proceso completo de optimización topológica
75
Figura 4.3.5 fuerza de tracción
Figura 4.3.6 Resultante de la suma de las fuerzas remotas (traducción de la tensión de
las correas sobre el disco, y este sobre su apoyo en la pieza)
Proceso completo de optimización topológica
76
Una vez impuestas las condiciones de contorno y obtenida la malla, se procede a
resolver el modelo de esfuerzos generados sobre el diseño. En la figura 4.3.7 y 4.3.8,
podemos ver los esfuerzos y deformaciones (respectivamente) que se generan en la
pieza a partir de las condiciones de contorno impuestas. El objetivo posterior de la
optimización topológica, no será reducir estos esfuerzos ni mantenerlos en estos
valores, si no conseguir que la pieza no exceda sus límites de deformación, reduciendo
la cantidad de material lo máximo posible (bajo ciertos coeficientes de seguridad).
Figura 4.3.7 Esfuerzos generados en el modelo
Figura 4.3.8 Deformaciones generadas en el modelo
Como se puede comprobar, cabe destacar que la pieza no posee importantes
solicitaciones en lo referente a los esfuerzos generados en el tronco central de la
misma, aun habiendo impuesta la fuerza de tracción entre apoyos. Que la pieza este
coloreada de azul no quiere decir que no exista ningún tipo de esfuerzo, si no que las
zonas con tonos de mayor frecuencia se encuentran significativamente más solicitadas.
Proceso completo de optimización topológica
77
Aun así, la adición de la fuerza de tracción sobre el cuerpo del diseño, si ha resultado
funcionar como se esperaba, pues ahora debe existir una cierta cantidad de material
que mantenga unida la pieza para que la fuerza sobre los tornillos no desplace de
posición a los mismos.
En este sentido, seguramente el resultado óptimo hubiese sido realizar una nueva
pieza que solo dispusiera de los dos apoyos de la parte trasera, sin embargo el objetivo
del proyecto, como se comenta en anteriores capítulos, pasa por optimizar la pieza ya
existente, con todas sus condiciones de contorno, que incluyen el apoyo de la parte
delantera.
Proceso completo de optimización topológica
78
4.4 Optimización topológica
Una vez se dispone del modelo resuelto bajo las condiciones de contorno, es momento
de aplicar la extensión de optimización topológica, con el objetivo de reducir el
volumen de la pieza, sin sobrepasar ningún límite crítico de la misma.
Desde la venta gráfica del ANSYS Workbench, la herramienta de topología ha de ser
conectada con el modelo y los resultados obtenidos en el anterior paso, de esta
manera, el programa dispone de la información necesaria para ponerse en
funcionamiento. En la figura 4.4.1 se puede observar dicha conexión.
Figura 4.4.1 Conexión entre herramientas del programa
Dentro de la herramienta de optimización topológica, podemos encontrar diferentes
comandos a aplicar sobre nuestro modelo. A continuación se explica cada uno de ellos
en el orden de aplicación que deben realizarse con el objetivo de obtener un resultado
correcto:
✓ Designe Space (Espacio de diseño): Este comando permite seleccionar las
zonas de la pieza que han de ser optimizadas topológicamente. No se trata de
una tarea tan sencilla como simplemente seleccionar el volumen completo de
la pieza, pues se desea que la geometría conserve ciertas propiedades
indispensables, como las zonas de apoyo de los tornillos o de la rueda en la
zona lateral trasera. En este sentido, el comando cuenta con dos posibles
operaciones a realizar, una de selección y otra de exclusión.
Sobre el modelo que corresponde a este caso, se ha aplicado una selección de
volumen completo de la pieza, para posteriormente excluir las zonas que se
Proceso completo de optimización topológica
79
mencionan anteriormente. En las imágenes 4.4.2, 4.4.3, 4.4.4, 4.4.5, 4.4.6 4.4.7,
4.4.8 y 4.4.9, podemos ver las selecciones y exclusiones impuestas en cada
situación.
Figura 4.4.2 Selección del volumen completo
Figura 4.4.3 Exclusión de la zona de apoyo interior de un tornillo
Es importante destacar que la selección de exclusiones de la figura 4.4.3,
inicialmente estaba pensada para excluir las tres zonas de los tornillos, sin
embargo, tras todas las pruebas de optimización que se fueron realizando
Proceso completo de optimización topológica
80
hasta llegar al modelo final, se pudo ver que el programa simplemente
mantenía las superficies por haberlo indicado y no porque resultase necesario
para la estructura del diseño. Es por tanto que, en el modelo final, no se aplican
estas exclusiones con el objetivo de poder reducir aún más el volumen de la
pieza, gracias a hacer las zonas de apoyo de los tornillos de diferente altura a la
inicialmente determinada (por supuesto, este hecho no compromete de ningún
modo la funcionalidad final de la pieza).
Figura 4.4.4 Exclusión de apoyo sobre el motor (1)
Figura 4.4.5 Exclusión de apoyo sobre el motor (2)
Proceso completo de optimización topológica
81
Figura 4.4.6 Exclusión de apoyo sobre el motor (3)
Por la propia experiencia adquirida sobre el transcurso de este proyecto,
resulta mucho más conveniente realizar las exclusiones en regiones
individuales. De esta manera se hace mucho más sencillo el modificarlas o
eliminarlas, sobre todo en los casos en los que ha de seleccionarse un gran
número de superficies para dicha exclusión, como se puede comprobar en las
imágenes anteriores.
Figura 4.4.7 Exclusión de apoyo sobre la rueda de la cadena de transmisión
Proceso completo de optimización topológica
82
Figura 4.4.8 Exclusión del apoyo interior de la sujeción del disco de la cadena de
transmisión
Figura 4.4.9 Exclusión del apoyo superior de un tornillo
Proceso completo de optimización topológica
83
Por la misma razón que ha sido mencionada con anterioridad, solo se ha
excluido el apoyo superior del tornillo que era estrictamente necesario para
que el programa realizase la optimización de manera correcta, ganando así
espacio para aumentar aún más la reducción de volumen.
✓ Manufacturing: contiene una serie de comandos que pueden resultar muy
útiles a la hora de facilitar el trabajo de post-procesado sobre el modelo, así
como añadir restricciones adicionales. Desde condiciones de simetría, hasta
imposiciones de grosor máximo o mínimo. No ha sido necesaria la utilización
de ninguna de estas condiciones sobre el modelo del proyecto. Se probó variar
el grosor máximo y mínimo pero no se obtuvo ningún resultado
suficientemente significativo.
✓ Optimization: Aquí podremos encontrar dos sencillos comandos que
simplemente requieren que se introduzca la información sobre el objetivo de la
optimización. Mediante el comando “Constraint”, podemos seleccionar si
minimizar el volumen, la masa, los grados de libertad del modelo, el grado de
interferencia con frecuencias naturales, los esfuerzos en zonas concretas o en
el conjunto de la pieza o las deformaciones de la misma. Sin embargo, la
mayoría de estos comandos no se encuentran disponibles en la versión 17.1 de
Ansys. Como se comenta en anteriores capítulos, la versión 18.0 recoge mucha
mayor variedad de posibilidades en este sentido. Al final de este capítulo, se
recoge una comparativa entre el modelo obtenido en la versión 17.1 y un
primer modelo, sin llegar a profundizar en detalle, de la versión 18.0.
Finalmente el comando “Objetive”, permite minimizar o maximizar las
condiciones anteriormente mencionadas. Para este caso concreto, se ha
seleccionado reducción en el volumen de en torno a un 70% del contorno del
modelo original, que se estima en un 20% adicional sobre la pieza real.
✓ Convergence Graphs: Este último comando permite mostrar las gráficas de
convergencia durante el proceso de optimización topológica, hecho que resulta
altamente útil a la hora de decidir el número de iteraciones que realizar para
obtener un resultado final. Inicialmente, el programa tiene predeterminado
realizar 500 iteraciones hasta llegar a un resultado con un 0,05% de desviación.
En este caso concreto, el procesado de las iteraciones necesarias para alcanzar
tales grados de precisión resultaba excesivamente largo, por lo que se decidió
reducir el número de iteraciones, basándose en el momento en el que las
gráficas de convergencia se aproximaban a una zona de valor de desviación
constante. Mediante 7 iteraciones, se obtenían resultados prácticamente
iguales en mucho menor tiempo. Es importante tener en cuenta que no se
Proceso completo de optimización topológica
84
realizó una sola prueba para la obtención del modelo final, sino un gran
número de ellas y por tanto este hecho resultó muy beneficioso para el
desarrollo del proyecto.
Una vez aplicados todos los comandos mencionados sobre el modelo, el último paso
antes de lanzar la simulación que obtenga el modelo final, es introducir la forma en la
que el programa releje los resultados obtenidos. En este sentido, para la optimización
topológica existen dos comandos, “Node Values” y “Average Node Values”. Este
último, sin duda es con el que se obtienen mejores resultados. El funcionamiento es el
siguiente, el programa da un valor de relevancia (de 0 a 1) a cada una de las divisiones
del modelo, en función a su importancia a la hora de mantener las condiciones de
contorno bajo los límites establecidos. A continuación, existe una barra regulable de 0
a 1, donde se muestran sobre el modelo las diferentes zonas que cumplen con un valor
menor o igual al seleccionado.
Tras resolver el modelo, simplemente es cuestión de seleccionar un valor mediante el
cual se obtenga un diseño que sea fabricarle, donde además se mantengan las
condiciones de hermética y continuidad de la pieza. En las figuras 4.4.10, 4.4.11, 4.4.12
y 4.4.13 se pueden ver algunas de las versiones obtenidas que no resultaron
satisfactorias.
Figura 4.4.10 Primer modelo optimizado obtenido
Proceso completo de optimización topológica
85
Este primer modelo sirvió como ensayo para poner en funcionamiento el programa,
sometiendo a la pieza a una única carga de tracción en su dirección longitudinal.
Figura 4.4.11 Segundo modelo optimizado obtenido.
Este segundo modelo, incluye adicionalmente la presión generada por los tornillos, así
como una fuerza puntual en la zona de carga en la dirección real de aplicación.
Posteriormente se decidió que resultaba de mayor conveniencia imponer una carga
remota de modo que se transmitiese un momento flector sobre el cuerpo del diseño.
Figura 4.4.12 Tercer modelo optimizado obtenido
Proceso completo de optimización topológica
86
Este modelo presenta todas las solicitaciones del diseño final, excepto la fuerza de
tracción, por lo que se hizo necesario añadir la exclusión de las superficies laterales de
la pieza con el objetivo de mantener una continuidad estructural.
Figura 4.4.13 Cuarto modelo optimizado obtenido
Las expectativas sobre este cuarto modelo fueron buenas en todo momento, llegando
incluso a trasladarlo al programa de post-procesado para obtener una primer idea de
cómo sería un modelo final. Sin embargo, fue desechado por la adición de condiciones
extra que no habían sido implementadas inicialmente, como la existencia de un par
torsor o la presión de los tornillos. En la figura 4.4.14 se muestra este modelo después
de realizarse el post-procesamiento sobre el mismo. Los comandos necesarios serán
explicados en próximos apartados.
Figura 4.4.14 Tercer modelo en etapa de post-procesado
Proceso completo de optimización topológica
87
Finalmente, el la figura 4.4.15 se muestra el modelo final obtenido tras el proceso de
optimización topológica. Tras añadir un pequeño coeficiente de seguridad, se decidió
poner fin a esta etapa del proceso con el modelo que aparece en la figura 4.4.16, para
evitar fallos en el diseño, fruto de la posible falta de precisión en el proceso de
impresión en 3D.
Figura 4.4.15 Modelo final optimizado topológicamente (sin coeficiente de seguridad)
Figura 4.4.16 Modelo final optimizado topológicamente (con coeficiente de seguridad)
Proceso completo de optimización topológica
88
4.5 Post-procesamiento del modelo optimizado
El objetivo de esta etapa se fundamenta en transformar el diseño optimizado
topológicamente, de modo que se obtenga una geometría fabricable y más coherente.
Este hecho resulta necesario, debido a que las secciones en las que se divide la pieza
que conforman cada una de las caras excluidas en la optimización, se mantienen por
completo en el modelo resultante. Debido a esto, aparecen zonas de alta irregularidad
en la pieza.
Para corregir dichas imperfecciones, se ha necesitado de una licencia adicional, como
se comentó anteriormente, dentro del programa Space Claim, denominada “STL
Prepare”. Como su propio nombre indica, se ha de exportar el modelo desde ANSYS en
formato stl. para poder trabajar con el mismo.
Dentro de esta extensión, podemos encontrar una serie de comandos capaces de
suavizar el contorno de la topología de la pieza. A continuación se exponen los pasos a
seguir en orden de realización:
✓ Mallado del modelo: el primer paso a realizar, consiste en ejecutar un
comando que transforma el modelo solido en una malla con la que se puede
analizar mejor la estructura del diseño. Este es el mismo paso que se llevó a
cabo durante el procesamiento del modelo previo a la optimización topológica.
Gracias a esto, se habilitan una serie de comandos adicionales, capaces de
tratar la malla resultante. El primero y más general de los mismos es el
“Autofix”. Tras analizar los erros del mallado, este comando es capaz de
corregir huecos en la superficie de la pieza (de modo que quede
herméticamente cerrada), solapamientos entre superficies y errores en la
distribución de las divisiones generadas. Al realizar este primer paso, no se
observan cambios significativos sobre el diseño, pero resulta esencial de cara a
generar un modelo viable para la impresión en 3D.
✓ Reducir mediante cáscara: este sin duda es uno de los comandos
fundamentales necesarios para obtener un modelo de calidad. El
procedimiento es muy simple, basta con seleccionar el volumen entero o una
sección concreta de la pieza e imponer un grado de desviación en milímetros.
Gracias a esta herramienta, se crea una nueva superficie, adaptándose a la
existente, pero reduciendo o suavizando las zonas con claras desviaciones. Esta
herramienta, ha de ser combinada con la que se mencionará a continuación
para conseguir los resultados perseguidos.
Proceso completo de optimización topológica
89
✓ Desplazamiento de superficies: seleccionando una zona concreta de la pieza,
este comando es capaz de desplazar los tetraedros seleccionados en una
dirección perpendicular a los mismos. Gracias a esto, se pueden reducir las
esquinas generadas en las superficies excluidas de la optimización topológica.
Para obtener el resultado final, simplemente es necesario ir combinando estos dos
últimos comandos, tras haber realizado un “Autofix” sobre el mallado. Se desplaza una
zona irregular de la superficie del modelo y posteriormente se crea una reducción
mediante cáscara lo más precisa posible, de modo que los desplazamientos no
generen nuevas aristas agresivas.
El problema principal de este proceso, aparte de ser lento de llevar a cabo, resulta ser
que la geometría final obtenida no es perfectamente recta. En la figura 4.5.1, se puede
ver un procedimiento de post-procesado fallido sobre uno de los modelos optimizados
inicialmente propuesto. En la imagen se puede apreciar con claridad las irregularidades
generadas, así como zonas que han sido excesivamente modificadas debido al uso del
comando de reducción por cáscara.
Figura 4.5.1 Post-procesamiento fallido sobre uno de los modelos optimizados
inicialmente propuestos
Dentro del programa Space Claim, existe un comando adicional capaz de transformar
superficies en geometrías concretas. Este hecho hubiese sido especialmente útil a la
hora de obtener cilindros perfectos en las zonas de apoyo de los tornillos. Sin
Proceso completo de optimización topológica
90
embargo, la herramienta no reconocía la superficie y generaba el cilindro en una
posición que no correspondía con la adecuada. La alineación manual de los mismos
tampoco resultaba una solución viable, por tanto se decidió continuar con la
metodología anteriormente expuesta. Este es un error importante del programa que
deberá ser corregido para futuras versiones, pues puede ser decisivo a la hora de
fabricar un modelo optimizado real. El propósito de este proyecto es, como ya se ha
comentado anteriormente, investigar a cerca de las limitaciones de las herramientas
informáticas involucradas dentro del proceso y no el conseguir un modelo perfecto, si
bien es verdad que debe ser suficientemente representativo como para poder
comprobar si la información obtenida computacionalmente es veraz.
En la figura 4.5.2 se puede ver el procesamiento del modelo final que será impreso en
3D. En el Capítulo 5, se hablará de los defectos obtenidos.
Figura 4.5.2 Procesamiento del modelo final
A primera vista se puede observar como efectivamente, una de las zonas de apoyo de
tornillos fue reducida a la mitad al no resultar necesaria para mantener las condiciones
de rigidez de la pieza en carga. Además, como se comenta anteriormente, el cilindro
de mayor tamaño resulta bastante irregular.
Proceso completo de optimización topológica
91
4.6 Conclusiones
En general, se puede considera que el proceso de optimización topológica ha podido
ser realizado de manera correcta sin complicaciones importantes, si bien es verdad
que han surgido ciertos problemas que merece la pena comentar.
El inconveniente más importante encontrado dentro del proceso, resulta ser el tamaño
del archivo obtenido después de pasar un modelo sólido a malla y de nuevo a sólido
dentro del programa Space Claim. En la figura 4.6.1 se pude observar el tamaño de los
archivos.
Figura 4.6.1 Tamaño de los archivos
El modelo sólido topológicamente optimizado, corresponde con el archivo llamado
“Diseñar2.stp”. Posteriormente, y tras convertir el diseño en una malla, se genera el
archivo “Diseñar2.scdoc”. Tras realizar las operaciones anteriormente mencionadas, se
termina el post-procesado devolviendo el modelo a sólido (“Diseñar2Solido.stp”).
Como se puede comprobar, el archivo ha aumentado unas 24000 veces su tamaño
original. Este hecho imposibilita por completo su reutilización dentro de ANSYS
Workbench. La idea original se basaba en transferir el diseño final a este programa,
para comparar los resultados obtenidos en el mismo, con los ensayos de tracción y
flexión realizados posteriormente sobre el modelo impreso en 3D. Debido a este
inconveniente, únicamente se realizarán los ensayos con el fin de comprobar si el
modelo optimizado es capaz de distribuir las tensiones correctamente antes de
generar una grieta, o si por el contrario existe alguna zona claramente más debilitada.
Se hablará de estos resultados en el Capítulo 6.
Otros de los problemas encontrados durante el proceso, son los errores a la hora de
reconocer geometrías, la excesiva división de caras dentro de cada superficie del
modelo, la imposibilidad de unir dichas caras sin alterar la geometría del diseño y las
irregularidades generadas debido a la exclusión de caras en la optimización topológica,
como se ha ido comentando a lo largo del capítulo.
Proceso completo de optimización topológica
92
Por otra parte, se ha conseguido mantener perfectamente las dimensiones de la pieza
(se muestra en el Capítulo 5), así como las zonas que eran necesarias para la
funcionalidad de la misma, como los apoyos interiores, superiores e inferiores de los
tornillos.
No existe ningún tipo de error en el mallado que imposibilite seguir con el proceso y,
excepto las zonas ya mencionadas, el resto parece poseer una alta calidad superficial.
Así mismo, las superficies interiores de los cilindros, que fueron generadas durante el
post-procesamiento de la nube de puntos sobre el modelo escaneado, se mantiene en
perfectas condiciones para asegurar el correcto encaje de los tornillos. En este punto,
el modelo se encuentra preparado para ser impreso en 3D.
Adicionalmente, resulta interesante aportar una comparativa cualitativa entre el
modelo optimizado obtenido con la versión 17.1 de ANSYS Workbench y el obtenido
con la versión 18.1. Cabe destacar, como se menciona al comienzo del capítulo, que no
se ha profundizado en el funcionamiento de la herramienta en esta última versión, por
tanto simplemente esta comparativa será útil para ver si existen diferencias
significativas entre ambos modelos. En la figura 4.6.2 se puede ver el modelo
optimizado, obtenido con las mismas condiciones de contorno y solicitaciones que el
original.
Figura 4.6.2 Modelo optimizado en la versión 18.1
Proceso completo de optimización topológica
93
Como se puede apreciar, existen ligeras diferencias con respecto a la figura 4.4.16,
pero nada que resulte significativo como para realizar el modelo final en esta versión.
La zona delantera, donde los dos nervios se unen en el apoyo del tornillo, se mantiene
completamente igual. Por otro lado, en la zona trasera, parece darse mayor
importancia al apoyo que ha sido reducido en el modelo final de la versión 17.1. En el
Capítulo 6 se comprobará si este hecho resulta relevante a la hora de resistir las
solicitaciones impuestas sobre la pieza.
Proceso completo de optimización topológica
94
Proceso completo de optimización topológica
95
CAPÍTULO 5
IMPRESIÓN 3D DEL
MODELO OPTIMIZADO
Proceso completo de optimización topológica
96
5.1 Introducción
Los objetivos de esta etapa del proyecto se fundamentan en conseguir imprimir el
modelo topológicamente optimizado con la mayor resolución posible, además de
analizar los fallos en la pieza resultante.
Es importante recordar que el diseño será sometido posteriormente a un ensayo de
tracción y, por lo tanto, la calidad y solidez de la impresión serán factores
determinantes a la hora de poder sacar conclusiones válidas.
Con este fin, se utilizará una impresora moderna de alta calidad. Marca Dimension y
modelo élite BST 768. Durante el transcurso del presente capítulo se mencionarán las
propiedades de dicha impresora, así como los tipos de materiales con los que es capaz
de trabajar. No resulta relevante el tipo de material con el que la pieza sea
prototipada, debido a que el principal objetivo del ensayo de tracción es, como ya se
ha comentado, diferenciar si existen zonas debilitadas en el modelo o si por el
contrario los esfuerzos se transmiten de manera homogénea a lo largo de la pieza.
La principal razón por la cual se ha decidido utilizar esta tecnología para la fabricación
de los prototipos de la pieza, pasa por la facilidad con la cual este método es capaz de
reproducir geometrías atípicas. Los procesos de optimización topológica, acarrean una
serie de operaciones matemáticas a nivel computacional extremadamente no líneas.
Por otra parte, al introducirse una gran variedad de esfuerzos sobre el diseño, es lógico
esperar que el resultado de la pieza final sea altamente complejo.
Durante el transcurso del capítulo se hablará de los problemas encontrados a lo largo
del proceso de impresión si los hubiese, así como de los resultados obtenidos.
Proceso completo de optimización topológica
97
5.2 Características de la impresora
Como se ha comentado anteriormente, se ha utilizado una impresora Dimension Elite
BST 768. Una de las principales cualidades por las que destaca esta herramienta es su
amplio especio de impresión, hecho que permite generar estructuras tridimensionales
de gran tamaño en comparación a otros modelos. Otro beneficio de esta impresora,
resulta ser la gran calidad con la que se representa el modelo computacional. En la
gran mayoría de ocasiones, las piezas impresas en 3D poseen unas importantes marcas
fruto del paso de la boquilla extrusora de material a lo largo de la diseño. En este caso,
las marcas resultarán mucho menos perceptibles, si bien es verdad que seguirán
existiendo.
Es importante mencionar que las impresoras 3D trabajan siempre con dos tipos de
materiales como mínimo. Este hecho posibilita la generación de geometrías imposibles
de realizar por otros métodos de fabricación. La idea es la siguiente: se dispone de un
material principal, que será el utilizado para generar el diseño, y un segundo material
adicional que será colocado en aquellas zonas en las que no exista cuerpo físico de la
pieza, pero si se requiera de la presencia de material para poder seguir continuado con
las capas del modelo. Este material podrá ser desechado una vez se haya generado la
geometría completa de la pieza. En la figura 5.2.1, se puede ver una imagen del
proceso de adquisición online de dichos materiales.
Figura 5.2.1 Materiales que utiliza la impresora con lista de precios
Proceso completo de optimización topológica
98
La utilización de estos plásticos ABS duraderos, permite a los usuarios probar modelos
3D para testear funcionalidad, forma y ensamble de las geometrías generadas. Además
este modelo dispone de un sistema de auto-limpieza, capaz de ahorrar grandes
cantidades de tiempo.
Otro ámbito importante donde destaca la impresora seleccionada para el proyecto,
hace referencia a la relación calidad precio, sobre todo gracias al gran tamaño de su
zona de impresión. Al pertenecer a la escuela técnica superior de ingeniería del ICAI, la
impresora debe ser capaz de cubrir el mayor abanico de solicitaciones posible, desde
prototipos para proyectos, posibles lecciones de docencia o incluso encargas de
empresas externas. En este sentido, la calidad, el tamaño y la relación calidad precio,
hacen de esta impresora, sin duda uno de los mejores modelo posibles en el mercado
actual. En la figura 5.2.2, se puede apreciar una imagen de la impresora en la portada
de su manual de instrucciones.
Figura 5.2.2 Impresora utilizada en el proyecto
Proceso completo de optimización topológica
99
5.3 Impresión 3D del modelo
El proceso de impresión de modelos computacionales de manera directa, se encuentra
completamente automatizado. Simplemente es necesario disponer de un archivo de
las características adecuadas y posicionar el diseño en una zona de la caja de impresión
de manera manual o automática.
En este sentido, existe un único procedimiento muy importante que debe ser
asegurado antes de comenzar con la impresión si se pretende obtener resultados de
calidad. El programa informático que utiliza la impresora 3D, transforma la geometría
sólida (formato stl.) en una malla mediante divisiones por tetraedros. Si la resolución
no es suficiente, este hecho puede provocar que la geometría no quede representada
de manera precisa, al aproximar, por ejemplo, una curva a varias rectas de pequeño
tamaño.
Este hecho no ha resultado ser ningún inconveniente de cara al desarrollo de esta
etapa del proyecto, pues inicialmente y sin realizar ningún tipo de ajuste adicional, se
disponía de un modelo computacional de calidad y perfectamente válido para poder
ser impreso en 3D por este método. Por tanto, se procedió directamente a introducir
el diseño en el software de la impresora con el fin de generar el primer modelo físico
de la pieza optimizada topológicamente.
Un factor adicional a tener en cuenta a la hora de realizar cualquier impresión en 3D es
el tiempo que dura el proceso. Por lo general, este tipo de métodos de fabricación se
caracterizan por ser lentos. En el caso que nos ocupa, inicialmente se estimaron entre
trece y quince horas para poder obtener la pieza. Gracias a la optimización topológica,
la cantidad de material que interviene en el diseño es lo más reducida posible, bajo las
solicitaciones impuestas. Por tanto, el tiempo real de impresión del modelo resultó ser
inferior a lo esperado inicialmente. Tras once horas de máquina en funcionamiento, el
programa fue capaz de generar el primer modelo físico del proyecto, fruto de todos los
procesos realizados anteriormente.
Una vez se dispone de la pieza, es de extrema relevancia realizar los cálculos
pertinentes necesarios para asegurar las propiedades deseadas se han conseguido
reproducir de manera correcta.
Proceso completo de optimización topológica
100
5.4 Análisis de la pieza impresa
En la Figura 5.4.1 se puede apreciar una primera vista general de la pieza. La geometría
ha podido ser representada sin ningún tipo de inconveniente y, como era de esperar,
la calidad superficial obtenida es excelente para tratarse de un modelo impreso en 3D.
Figura 5.4.1 Vista general de la pieza impresa en 3D
Por otra parte, todas las cualidades que el diseño debía incluir de manera
imprescindible, como el grosor de los orificios adecuados para los tornillos, el área de
las zonas de apoyo de los mismos y, sobre todo, la distancia entre los puntos de
soporte, han podido mantenerse en perfectas condiciones, por lo que se considera que
el proceso de impresión en 3D ha podido ser realizado sin ningún tipo de complicación.
Este hecho, presenta una clara diferencia con respecto a las dos principales tecnologías
utilizadas a lo largo del proyecto (herramientas de escaneo y de optimización
topológica). Durante el proceso completo que ha seguido la pieza, se han mencionado
numerosos inconvenientes y posibles soluciones a los mismos en prácticamente cada
una de las etapas acaecidas. La clave reside en la antigüedad de cada una de las
tecnologías, así como en su grado de desarrollo. Como se ha mencionado
anteriormente, la optimización topológica de piezas a partir de escáneres
tridimensionales constituye un área de la ingeniería en actual auge y desarrollo. Sin
embargo, durante las últimas décadas, las impresoras 3D han cobrado gran
Proceso completo de optimización topológica
101
importancia en el panorama de la fabricación industrial, llegando a consolidar
metodologías y procesos hasta niveles de precisión muy elevados.
En las figuras 5.4.2, 5.4.3 y 5.4.4, se puede apreciar el nivel de encaje de la pieza
optimizada en la posición original de la misma.
Figura 5.4.2 Pieza en su posición de funcionamiento (1)
Figura 5.4.3 Pieza en su posición de funcionamiento (2)
Proceso completo de optimización topológica
102
Figura 5.4.4 Pieza en su posición de funcionamiento (3)
Se considera por tanto que la pieza obtenida es de la calidad esperada y que se
encuentra en las condiciones óptimas para realizar el ensayo de tracción mencionado
anteriormente.
Proceso completo de optimización topológica
103
5.5 Conclusiones
Como se ha mencionado anteriormente, se considera que el proceso de impresión en
3D dispone de metodologías sólidas que permiten alcanzar resultados de manera muy
eficaz.
En este caso, la selección de la impresora correcta ha resultado clave para asegurar
que la pieza no poseía ningún tipo de defecto estructural, pues de lo contrario hubiese
sido necesario volver a imprimirla, retrasando así la programación dispuesta para los
ensayos posteriores de manera considerable.
Por otro lado, el material utilizado es muy estándar para este tipo de procesos y ha
sido capaz de cumplir con los requisitos predeterminados, si bien es verdad que podía
apreciarse una considerable cantidad del material desechable en ciertas zonas
concretas de la geometría de la pieza de difícil acceso. Sin embargo, este hecho no ha
dificultado en absoluto la posterior etapa de ensayos.
Las dimensiones de la pieza han conseguido ser representadas de manera perfecta,
hecho que quería conseguirse desde el comienzo en este proyecto, con el fin de
generar un modelo completamente representativo de la pieza original.
Por lo tanto, es este punto, podemos considerar que el diseño se encuentra en las
condiciones óptimas para ser ensayado a tracción, sujeto por las zonas de apoyo de los
tornillos. Se introducirán varillas coincidentes con las dimensiones reales de los
mismos, con el fin de simular unas condiciones de funcionamiento reales.
Proceso completo de optimización topológica
104
Proceso completo de optimización topológica
105
CAPÍTULO 6
ENSAYO DE TRACCIÓN
SOBRE LA PIEZA
IMPRESA EN 3D
Proceso completo de optimización topológica
106
6.1 Introducción
A lo largo del presente capítulo, se describirán los procesos que han sido necesarios
llevar a cabo para la correcta realización de un ensayo de tracción sobre la pieza. El
objetivo es realizar un testeo representativo de cara a comprobar si la optimización
topológica ha sido realizada de manera adecuada. En este sentido, existen numerosos
factores a tener en cuenta.
En primer lugar, como se ha comentado anteriormente, el objetivo de la realización de
los ensayos no se fundamenta en determinar el valor máximo de tensión que la pieza
es capaz de soportar, pues no fue posible trasladar el modelo computacional
optimizado de vuelta al ANSYS para realizar dichas simulaciones. El fin de esta etapa
del proyecto será por tanto, analizar si la estructura del modelo ha sido diseñada
correctamente, mediante la detección de posibles zonas débiles.
Con el fin de reproducir con la mayor verosimilitud posible las condiciones de contorno
impuestas en el modelo, se ha de diseñar un apoyo capaz de sostener la pieza por las
zonas donde se ubican los tornillos. Como se verá a continuación, la máquina de
tracción no disponía de ningún tipo de mordaza útil para esta tarea, por lo que fue
necesario construir unos soportes laterales que dispusieran de orificios en su zona
central para encajar correctamente con las sujeciones de la máquina.
Proceso completo de optimización topológica
107
6.2 Fabricación de los soportes laterales
Como ya se ha comentado, resulto necesario fabricar algún tipo de soporte con el
objetivo de poder sostener la pieza en la posición correcta para realizar un ensayo de
tracción representativo. Esto es debido a la geometría de la máquina de tracción, que
únicamente dispone de dos mordazas con un único orificio centrado para soportar las
piezas.
La solución propuesta para resolver este inconveniente, se basó en fabricar una serie
de placas de acero de 4 mm de espesor con una distribución de orificios concreta, de
tal manera que resultase posible atravesar las zonas de soporte de la pieza con varillas
de metal y, simultáneamente, colocar una varilla adicional unida a la zona de soporte
de la máquina de tracción. El proceso seguido para la fabricación de dichos soportes es
el siguiente, en orden de realización:
✓ Sobre la placa en bruto, se realizan primero unas ligeras entallas para poder
apoyar la broca del taladro, con ayuda de un ligero golpe de martillo. En la
imagen 6.2.1 se puede ver el punzón utilizado para dicha tarea.
Figura 6.2.1 Punteado para facilitar entrada de la broca
✓ El siguiente paso consiste simplemente en utilizar el taladro para generar los
orificios necesarios para cada una de las placas. Cabe destacar que si se
Proceso completo de optimización topológica
108
pretende utilizar una varilla de metal de cierto tamaño para atravesar el
orificio, el tamaño de la broca debe ser ligeramente superior al diámetro del
mismo. En este caso se han utilizado brocas de 5,2 mm y 6,2 mm. En la figura
6.2.2 se puede apreciar una de las placas de metales sujetada por una mordaza
bajo el taladro. El giro del mismo siempre debe realizarse en sentido horario y
la zona de trabajo ha de estar lo suficientemente lubricada y refrigerada como
para asegurar que el material no se calienta en exceso. De otro modo la podría
generarse viruta larga y quedarse adherida a la broca. Tampoco interesa un
tamaño de viruta pequeño. Esto es posible regularlo mediante la velocidad de
giro de la broca, y depende del material que se esté taladrando.
Figura 6.2.2 Taladradora
✓ Una vez se tienen los orificios es momento de cortar las piezas mediante una
sierra. El orden de estas dos operaciones, es debido a que resulta más sencillo
agarrar con la mordaza piezas de mayor tamaño para poder realizar los
agujeros. Mediante un marcador metálico se establecen las líneas de corte y
posteriormente se procede como se muestra en la figura 6.2.3. No es posible
cortar chapas de este espesor con la cizalladora de la que se disponía.
Proceso completo de optimización topológica
109
Figura 6.2.3 Sierra de corte
Por supuesto, es altamente importante realizar todas estas operaciones con las
medidas de seguridad adecuadas que, además de las propias de las máquinas como
setas o pantallas de protección, se hace imprescindible el uso de guantes y gafas en
todo momento. El último paso, también realizado en la sierra de corte se trata de
ajustar la longitud de las varillas de acero.
Una vez se dispone de todos los elementos que conforman el soporte diseñado se
puede proceder con el ensayo de tracción. En la figura 6.2.4 se puede ver el soporte
montado sobre la pieza.
Figura 6.2.4 Soporte sobre la pieza
Proceso completo de optimización topológica
110
6.3 Ensayo de tracción
En la figura 6.3.1 se puede ver la posición de la pieza dentro de la máquina de tracción,
sujeta por los soportes laterales anteriormente fabricados. De manera adicional, se
añadieron una serie de arandelas de seguridad que ajustan a las varillas por presión
para evitar que las placas se moviesen durante el ensayo.
Figura 6.3.1 Pieza colocada en la máquina de tracción
El ensayo se realizará a una velocidad lenta, de un milímetro por minuto, de manera
que se pueda apreciar la aparición de grietas si sucediesen antes de la fractura
completa de la pieza.
Se ha colocado una célula capaz de generar una tensión de 2 kN. Se espera que esta
sea suficiente como para fracturar la pieza por completo. De lo contrario, se podrían
generar deformaciones en la misma, haciendo que el modelo no fuese valido para
repetir el ensayo.
Proceso completo de optimización topológica
111
Comenzando con el proceso, al alcanzar un valor de tensión aproximado de 1kN
aparece la primera grieta en dos zonas de la pieza de manera simultánea. Este hecho
puede ser muy interesante de analizar y se comentará en el próximo apartado.
Efectivamente se genera una importante grieta previa a la fractura total de la pieza,
debido a que el material plástico con el que está fabricada posee una ligera elasticidad
bajo carga. En la figura 6.3.2 se pueden ver las dos grietas en el momento en el que
sucedieron durante el ensayo.
Figura 6.3.2 Grietas durante el ensayo de tracción
Finalmente, y tras un tiempo adicional de avance, la pieza se fracturo por completo
poniendo así fin al ensayo de tracción. A continuación, en las figuras 6.3.3 y 6.3.4,
podemos analizar el estado de la fractura. Sin duda, esta se ha realizado en una de las
zonas que cabía esperar, pero resulta muy interesante de cara a las conclusiones sobre
el proyecto que esta fractura se haya dado simultáneamente en dos zonas diferentes.
Proceso completo de optimización topológica
112
Figura 6.3.3 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (1)
Figura 6.3.4 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (2)
Por último, en la figura 6.3.5, podemos ver una gráfica obtenida mediante el programa
informático de la máquina de tracción. En ella podemos comprobar los valor de
Proceso completo de optimización topológica
113
fractura, así como el lógico descenso en la tensión una vez se han generado las
primeras grietas.
Figura 6.3.5 Valores de tensión obtenidos durante el ensayo (kN)
0,00E+00
2,00E-01
4,00E-01
6,00E-01
8,00E-01
1,00E+00
1,20E+00
Proceso completo de optimización topológica
114
6.4 Conclusiones
Como ya se ha mencionado, no resulta importante de cara al análisis de los datos el
valor de tensión en el punto de rotura, sino la forma en la que la pieza ha generado las
primeras grietas. Como se comenta en anteriores capítulos, la pieza se encuentra
optimizada topológicamente para resistir una serie de fuerzas diferentes entre las
cuales existe una tracción entre las zonas de apoyo de los tornillos (como se ha
simulado en el ensayo).
En este sentido, si existiese una zona claramente más débil ante este esfuerzo, es
altamente probable que el programa pudiera haber retirado una mayor cantidad de
material de otras zonas de la pieza, pues el objetivo era disminuir el peso mantenido
los rangos de valores de tensión requeridos. Por tanto, se trata de una buena señal el
hecho de que la pieza se haya fracturado por dos zonas de manera simultánea,
queriendo esto indicar que la optimización topológica ha tenido en cuenta la
distribución de esfuerzos ante la tracción impuesta en el modelo original.
Hubiera sido muy interesante poder realizar un ensayo para la principal carga a la que
se sometía a la pieza en su estado de funcionamiento (generada por la tensión de la
correa de distribución). Sin embargo, no ha resultado posible debido a la capacidad de
sujeción de la máquina disponible. Se hubiese requerido de otro tipo de equipos más
específicos para poder haber llevado a cabo este ensayo.
Proceso completo de optimización topológica
115
CAPÍTULO 7
CONCLUSIONES Y
ASPECTOS A MEJORAR
EN LOS PROCESOS QUE
HAN INTERVENIDO EN
EL PROYETCO
Proceso completo de optimización topológica
116
7.1 Aspectos a mejorar en los procesos
Uno de los principales objetivos del presente proyecto, ha resultado ser identificar el
nivel de desarrollo de las tecnologías que intervienen en el mismo. En este sentido,
tanto el escaneo tridimensional por medio de luz láser o luz estructurada y su posterior
tratamiento computacional, así como el proceso de optimización topológica dentro de
ANSYS Workbench del modelo obtenido, son sin duda dos tecnologías con un enorme
potencial que aún se encuentran en desarrollo y, por tanto, pueden surgir
complicaciones o inconvenientes durante la utilización de las mismas.
Por otro lado, se ha podido comprobar la solidez del proceso de impresión en 3D,
tanto en la estructuración de su metodología como en su reducida susceptibilidad a
fallos.
Con respecto al escaneo tridimensional de la pieza, los mayores inconvenientes
encontrados durante el transcurso de esta etapa han sido:
✓ Lentitud y complicidad de manejo en el proceso en el caso de escáner por luz
láser.
✓ Necesidad de aplicar una gran cantidad de trabajo de post-procesamiento para
poder obtener un modelo útil.
✓ Requiere de equipos caros y condiciones de funcionamiento muy específicas.
Por parte de los problemas más significativos encontrados durante la etapa de post-
procesamiento de la nube de puntos:
✓ Inexistencia de un comando capaz de rellenar material hasta un boceto
generado por el usuario sobre un plano concreto.
✓ Inexistencia de un comando capaz de aproximar superficies a geometrías
exactas tales como planos o cilindros.
✓ Lentitud en el procesamiento de algunos comandos que intervienen en el
conjunto total de la pieza, debido a la gran cantidad de información.
✓ El tratamiento de modelos de calidad en sencillo, mientras que el tratamiento
de archivos con importantes imperfecciones es altamente complejo.
Proceso completo de optimización topológica
117
✓ El modelo resultante no fue lo suficientemente precio como para poder ser
trasladado directamente al ANSYS Workbench.
Con respecto a los problemas encontrado durante la utilización de la herramienta de
post-procesamiento Space Claim y su extensión “STL Prepare”, destacan:
✓ De la misma manera que el programa anterior, el funcionamiento es muy
correcto en modelos de calidad pero poco eficiente en archivos con altas
imperfecciones.
✓ Inaptabilidad de un comando capaz de generar superficies exactas mediante la
referencia de geometrías perfectas como cilindros o planos.
✓ Inexistencia de un comando para separar correctamente las caras en las que el
programa divide cada una de las superficies del modelo.
✓ Al utilizar el comando para unir caras, no existe la opción de mantener la
geometría intacta, por lo que la mayoría de las veces se generaban curvaturas
no deseadas.
✓ Imposibilidad de unir caras en secciones circulares concéntricas o cilíndricas
completas, como en el caso de los apoyos de los tornillos.
✓ Excesivo tamaño de los archivos generados tras la utilización de la extensión
mencionada, que imposibilita su posterior utilización dentro de ANSYS
Workbench.
✓ El comando reducir por cáscara, modifica excesivamente la geometría de la
pieza en zonas no deseadas, pues no es posible aplicarlo únicamente en
pequeñas secciones.
✓ Al trabajar con modelos con geometrías imperfectas, el programa no reconoce
mediante “doble click” la superficie completa seleccionada si no parte de la
misma, lo que resta funcionalidad a la mayoría del resto de los comandos.
Proceso completo de optimización topológica
118
Por último, por parte de los problemas encontrados en la utilización de la extensión de
optimización topológica dentro de ANSYS Workbench en la versión 17.1, encontramos:
✓ La mayoría de objetivos de la optimización no están implementados
(interferencia con frecuencias propias, desplazamientos etc.).
✓ Cuando se selecciona en exclusión una superficie que el programa entiende
que no es necesaria para el modelo optimizado, se generan zonas
extremadamente irregulares y difíciles de corregir.
✓ Los resultados no se actualizan al realizar cambios sobre las condiciones de
contorno. Es necesario borrar alguna de las condiciones de la optimización y
volverá a implementar para que el programa pueda volver a comenzar con el
proceso de obtención del modelo optimizado.
✓ Los datos de funcionamiento predeterminados conducen a procesos de
iteración innecesarios y excesivamente largos. Es necesario modificar esto
antes de comenzar con la resolución.
Proceso completo de optimización topológica
119
7.2 Conclusiones
En líneas generales, se considera que el proceso de optimización no se encuentra
completamente desarrollado, si bien es verdad que los principales problemas residen
en errores en los programas computacionales y no en la metodología del proceso.
Se han podido cumplir la mayoría de los objetivos propuestos y se ha obtenido un
modelo con buenas propiedades fruto de la combinación entre las tecnologías que han
intervenido en el proyecto. Finalmente, a modo de resumen, en las figuras 7.2.1,
7.2.2, 7.2.3, 7.2.4, 7.2.5, 7.2.6 y 7.2.7, se puede ver el resultado final del modelo tras
cada una de las etapas en orden de realización.
Figura 7.2.1 Pieza original
Figura 7.2.2 Modelo final del post-tratamiento de la nube de puntos
Proceso completo de optimización topológica
120
Figura 7.2.3 Modelo final en el proceso de adaptación a ANSYS
Figura 7.2.4 Modelo optimizado en ANSYS Workbench
Figura 7.2.5 Modelo final tras el post-procesamiento del anterior
Proceso completo de optimización topológica
121
Figura 7.2.6 Pieza impresa en 3D
Figura 7.2.7 Resultado del ensayo de tracción
Proceso completo de optimización topológica
122
Proceso completo de optimización topológica
123
BIBLIOGRAFÍA
Proceso completo de optimización topológica
124
REFERENCIA DE IMÁGENES NO PROPIAS:
Figura 1.1.1 Ejemplo de optimización de forma
http://www.elsevier.es/ficheros/publicaciones/02131315/0000002800000001/v1_201
305061211/S0213131511000393/v1_201305061211/es/main.assets/gr16.jpeg
Figura 1.1.2 Ejemplos de optimización de topología
https://iberisa.files.wordpress.com/2011/08/4_gancho_proceso_completo1.png
https://es.pinterest.com/pin/559079741222832625/
Figura 1.1.3 Escáner láser
http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/5159-8415301.jpg
Figura 1.1.4 Escáner por luz estructurada
https://support.hp.com/ec-es/product/hp-3d-structured-light-scanner/14169438
Figura 2.2.1 Proceso de ingeniería inversa
http://seguridadinformaticasaiablog.blogspot.com.es/p/el-objetivo-de-la-ingenieria-
inversa.html
Figura 2.2.2 Ejemplo de programa de fotogrametría
https://topotectura.wordpress.com/tag/fotogrametria/
Figura 2.2.3 Máquina de medición tridimensional con palpador
http://www.tecnimetalsa.com/comparativa%20tridimensionales.htm
Figura 2.2.4 Escáner láser FARO
http://www.faro.com/products/metrology/faro-scanarm/overview
Figura 2.2.5 Escáner de luz estructurada CAPTURE
http://www.faroandina.com/index.php/soluciones/metrologia-escaner/escaner
Figura 2.2.6 Ventana gráfica del programa Geomagic
https://www.youtube.com/watch?v=efcmrZQvDLE
Figura 2.3.1 Perfil de optimización topológica
http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4296/fichero/VolumenI%252F4.pdf
Proceso completo de optimización topológica
125
Figura 2.4.1 Ejemplo de modelado 3D por capas
http://impresorasena3d.blogspot.com.es/2015/09/?m=0
Figura 2.4.2 Ejemplos de geometrías irrealizables por otros métodos
http://www.xdviral.com/5-ventajas-de-la-impresora-3d/
Figura 5.2.1 Materiales que utiliza la impresora con lista de precios
http://www.techsoft.co.uk/Products/3DPrintingMaterials/SST768
Figura 5.2.2 Impresora utilizada en el proyecto
http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20User%
20Guide.pdf
REFERENCIAS A PÁGINAS WEB UTILIZADAS EN LA BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN:
http://www.pixelsistemas.com/noticias/106
http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20Us
er%20Guide.pdf
http://www.techsoft.co.uk/Products/3DPrintingMaterials/SST768
https://www.finiteelementanalysis.com.au/featured/topological-optimisation-with-
ansys-17-0/
http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4296/fichero/VolumenI%252F4.pdf
https://previa.uclm.es/actividades/2010/congresoIM/pdf/cdarticulos/110.pdf
http://www.3dnatives.com/es/optimizacion-topologica-10012017/
https://impresoras3d.com/blogs/noticias/102825479-breve-historia-de-la-impresion-
3d
http://intranet.bibliotecasgc.bage.es/intranet-tmpl/prog/local_repository/documents/
17854.pdf
https://es.wikipedia.org/wiki/Impresora_3D
http://www.leica-geosystems.es/es/Escaneres-laser-HDS_5570.htm
http://www.faro.com/es-es/productos/topografia-3d/laser-scanner-faro-focus-
3d/informacion-general
Proceso completo de optimización topológica
126
http://www.faro.com/es-es/productos/topografia-3d/laser-scanner-faro-focus-
3d/caracteristicas
http://detopografia.blogspot.com.es/2012/11/que-es-el-laser-escaner-terrestre.html
http://www.3dnatives.com/es/escaner-de-luz-estructurada-06122016/
http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/escaner-luz-estructurada-
106356.html
TUTORIALES ANSYS 17.1 SOBRE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA:
https://www.finiteelementanalysis.com.au/featured/topological-optimisation-with-
ansys-17-0/
https://www.youtube.com/watch?v=XhEUf6t7CkU
https://www.youtube.com/watch?v=PMcP7mK1Zec
https://www.youtube.com/watch?v=KsWJ0qsp6mE
https://www.youtube.com/watch?v=xHN810lJs4k
TUTORIALES SPACE CLAIM:
https://www.youtube.com/watch?v=QuksllFXMkE
https://www.youtube.com/watch?v=DVDeo99E7oM
https://www.youtube.com/watch?v=gT5X9bs1-u8
http://www.spaceclaim.com/en/default.aspx
http://www.ansys.com/products/platform/ansys-spaceclaim
http://www.spaceclaim.com/en/Support/Tutorials/Essentials.aspx
https://www.sculpteo.com/es/tutoriales/tutorial-de-spaceclaim/spaceclaim-tutorial-
modelado-3d-para-la-impresion-3d-con-spaceclaim/
https://www.sculpteo.com/es/tutoriales/tutorial-de-spaceclaim/
APUNTES DE DISEÑO Y FABRICACIÓN INTEGRADOS:
http://sifo.comillas.edu/