El diseño para fabricación aditiva ( DfAM o DFAM ) es el diseño para la capacidad de fabricación aplicado a la fabricación aditiva (AM). Es un tipo general de métodos o herramientas de diseño mediante el cual el rendimiento funcional y / u otras consideraciones clave del ciclo de vida del producto, como la capacidad de fabricación, la confiabilidad y el costo, pueden optimizarse sujetos a las capacidades de las tecnologías de fabricación aditiva. [1]
Este concepto surge debido a la enorme libertad de diseño que brindan las tecnologías AM. Para aprovechar todas las ventajas de las capacidades únicas de los procesos de AM, se necesitan métodos o herramientas de DfAM. Los métodos o herramientas típicos de DfAM incluyen optimización de topología , diseño de estructuras de múltiples escalas (celosía o estructuras celulares), diseño de múltiples materiales, personalización masiva , consolidación de piezas y otros métodos de diseño que pueden hacer uso de características habilitadas para AM.
DfAM no siempre está separado de DFM más amplio, ya que la fabricación de muchos objetos puede implicar pasos tanto aditivos como sustractivos. No obstante, el nombre "DfAM" tiene valor porque centra la atención en la forma en que comercializar AM en funciones de producción no es solo una cuestión de averiguar cómo cambiar las piezas existentes de sustractivas a aditivas. Más bien, se trata de rediseñar objetos completos (ensamblajes, subsistemas) en vista de la nueva disponibilidad de AM avanzada. Es decir, implica rediseñarlos porque todo su diseño anterior, incluido incluso cómo, por qué y en qué lugares se dividieron originalmente en partes discretas, se concibió dentro de las limitaciones de un mundo en el que aún no existía la MA avanzada. Por lo tanto, en lugar de simplemente modificar el diseño de una pieza existente para permitir que se haga de forma aditiva, el DfAM completo implica cosas como reinventar el objeto general de modo que tenga menos piezas o un nuevo conjunto de piezas con límites y conexiones sustancialmente diferentes. Por tanto, el objeto puede que ya no sea un conjunto en absoluto, o puede ser un conjunto con muchas menos piezas. Muchos ejemplos de un impacto práctico tan arraigado de DfAM han surgido en la década de 2010, a medida que AM amplía enormemente su comercialización. Por ejemplo, en 2017, GE Aviation reveló que había utilizado DfAM para crear un motor de helicóptero con 16 piezas en lugar de 900, con un gran impacto potencial en la reducción de la complejidad de las cadenas de suministro . [2] Es este aspecto de replanteamiento radical el que ha llevado a temas como que "DfAM requiere 'disrupción a nivel empresarial'". [3] En otras palabras, la innovación disruptiva que AM puede permitir puede extenderse lógicamente a toda la empresa y su cadena de suministro, no solo cambiar el diseño en un taller de máquinas.
DfAM involucra tanto temas amplios (que se aplican a muchos procesos de AM) como optimizaciones específicas para un proceso de AM en particular. Por ejemplo, el análisis DFM para estereolitografía maximiza DfAM para esa modalidad.
Fondo
La fabricación aditiva se define como un proceso de unión de materiales, mediante el cual un producto puede fabricarse directamente a partir de su modelo 3D, normalmente capa sobre capa. [4] En comparación con las tecnologías de fabricación tradicionales, como el mecanizado CNC o la fundición, los procesos de AM tienen varias capacidades únicas. Permite la fabricación de piezas con una forma compleja, así como una distribución de material compleja. [5] Estas capacidades únicas amplían significativamente la libertad de diseño para los diseñadores. Sin embargo, también suponen un gran desafío. Las reglas o pautas de diseño tradicional para la fabricación (DFM) están profundamente arraigadas en la mente de los diseñadores y restringen severamente a los diseñadores para mejorar aún más el rendimiento funcional del producto al aprovechar estas capacidades únicas que brindan los procesos de AM. Además, las herramientas CAD tradicionales basadas en características también son difíciles de tratar con geometría irregular para mejorar el rendimiento funcional. Para resolver estos problemas, se necesitan métodos o herramientas de diseño que ayuden a los diseñadores a aprovechar al máximo la libertad de diseño que brindan los procesos de AM. Estos métodos o herramientas de diseño se pueden clasificar como Diseño para fabricación aditiva.
Métodos
Optimización de topología
La optimización de topología es un tipo de técnica de optimización estructural que puede optimizar el diseño del material dentro de un espacio de diseño determinado. En comparación con otras técnicas típicas de optimización estructural, como la optimización del tamaño o la optimización de la forma, la optimización de la topología puede actualizar tanto la forma como la topología de una pieza. Sin embargo, las complejas formas optimizadas obtenidas de la optimización de la topología siempre son difíciles de manejar para los procesos de fabricación tradicionales como el mecanizado CNC. Para resolver este problema, se pueden aplicar procesos de fabricación aditiva para fabricar el resultado de optimización de la topología. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que algunas limitaciones de fabricación, como el tamaño mínimo de la característica, también deben tenerse en cuenta durante el proceso de optimización de la topología. [6] Dado que la optimización de la topología puede ayudar a los diseñadores a obtener una geometría compleja óptima para la fabricación aditiva, esta técnica puede considerarse uno de los métodos DfAM.
Diseño de estructura multiescala
Debido a las capacidades únicas de los procesos de AM, se pueden realizar piezas con complejidades multiescala. Esto proporciona una gran libertad de diseño para que los diseñadores utilicen estructuras celulares o estructuras de celosía en microescala o mesoescala para las propiedades preferidas. Por ejemplo, en el campo aeroespacial, las estructuras de celosía fabricadas mediante el proceso AM se pueden utilizar para la reducción de peso. [7] En el campo biomédico, los bioimplantes hechos de celosías o estructuras celulares pueden mejorar la osteointegración . [8]
Diseño multimaterial
Las piezas con distribución de materiales múltiples o complejos se pueden lograr mediante procesos de fabricación aditiva. Para ayudar a los diseñadores a aprovechar esta ventaja, se han propuesto varios métodos de diseño y simulación [9] [10] [11] para respaldar el diseño de una pieza con múltiples materiales o materiales graduados funcionalmente . Estos métodos de diseño también suponen un desafío para el sistema CAD tradicional. La mayoría de ellos ahora solo pueden trabajar con materiales homogéneos.
Diseño para personalización masiva
Dado que la fabricación aditiva puede fabricar piezas directamente a partir del modelo digital de los productos, reduce significativamente el costo y el tiempo de ejecución de la producción de productos personalizados. Por lo tanto, cómo generar rápidamente piezas personalizadas se convierte en un tema central para la personalización masiva. Se han propuesto varios métodos de diseño [12] para ayudar a los diseñadores o usuarios a obtener el producto personalizado de forma sencilla. Estos métodos o herramientas también pueden considerarse métodos DfAM.
Consolidación de piezas
Debido a las limitaciones de los métodos de fabricación tradicionales, algunos componentes complejos suelen estar separados en varias partes para facilitar la fabricación y el montaje. Esta situación se ha modificado mediante el uso de tecnologías de fabricación aditiva. Se han realizado algunos estudios de casos para demostrar que algunas piezas del diseño original pueden consolidarse en una pieza compleja y fabricarse mediante procesos de fabricación aditiva. Este proceso de rediseño puede denominarse consolidación de piezas. La investigación muestra que la consolidación de piezas no solo reducirá el recuento de piezas, sino que también puede mejorar el rendimiento funcional del producto. [13] Los métodos de diseño que pueden guiar a los diseñadores a realizar la consolidación de piezas también se pueden considerar como un tipo de métodos DfAM.
Estructuras de celosía
Las estructuras de celosía son un tipo de estructuras celulares (es decir, abiertas). Anteriormente, estas estructuras eran difíciles de fabricar, por lo que no se usaban ampliamente. Gracias a la capacidad de fabricación de formas libres de la tecnología de fabricación aditiva, ahora es posible diseñar y fabricar formas complejas. Las estructuras de celosía tienen propiedades mecánicas de alta resistencia y baja masa y multifuncionalidad. [14] Estas estructuras se pueden encontrar en partes de las industrias aeroespacial y biomédica. [15] [16] Se ha observado que estas estructuras reticulares imitan la red cristalina atómica, donde los nodos y puntales representan átomos y enlaces atómicos, respectivamente, y se denominan metacristales. Obedecen los principios de endurecimiento metalúrgico (reforzamiento de los límites de grano, endurecimiento por precipitados, etc.) cuando sufren deformaciones. [17] Se ha informado además que el límite elástico y la ductilidad de los puntales (enlaces meta-atómicos) pueden aumentarse drásticamente aprovechando el fenómeno de solidificación fuera del equilibrio en la fabricación aditiva, aumentando así el rendimiento de las estructuras a granel. [18]
Problemas térmicos en el diseño
Para los procesos de AM que utilizan calor para fusionar el polvo o la materia prima, la consistencia del proceso y la calidad de la pieza están fuertemente influenciadas por el historial de temperatura dentro de la pieza durante la fabricación, especialmente para AM de metal. [19] [20] El modelado térmico se puede utilizar para informar el diseño de la pieza y la elección de los parámetros del proceso para la fabricación, en lugar de costosas pruebas empíricas. [21] [22] [23]
Diseño óptimo para fabricación aditiva
Las estructuras metálicas fabricadas de forma aditiva con la misma forma y tamaño (macroscópicos) pero fabricadas mediante diferentes parámetros de proceso tienen microestructuras sorprendentemente diferentes y, por tanto, propiedades mecánicas. [24] Los abundantes y altamente flexibles parámetros del proceso de AM influyen sustancialmente en las microestructuras de AM. [24] Por lo tanto, en principio, se podría imprimir simultáneamente en 3D la (macro) estructura y la microestructura deseable en función del rendimiento esperado del componente de AM especializado bajo la carga de servicio conocida. En este contexto, la ingeniería de materiales computacionales integrada de múltiples escalas y multifísica (ICME) para el enlace computacional de la cadena de proceso (micro) estructura, propiedades y rendimiento (PSPP) se puede utilizar para buscar de manera eficiente un subespacio de diseño de AM para el punto óptimo. con respecto al desempeño de la estructura AM bajo la carga de servicio conocida. [25] El espacio de diseño integral de metal AM es ilimitado y de gran dimensión, que incluye todas las combinaciones posibles de composiciones de aleación, parámetros de proceso y geometrías estructurales. Sin embargo, siempre se está considerando un subconjunto restringido del espacio de diseño (subespacio de diseño). El desempeño, como objetivo de diseño, dependiendo de la carga de servicio termo-quimio-mecánico, puede incluir múltiples aspectos funcionales, tales como capacidad específica de absorción de energía, vida / resistencia a la fatiga, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la fluencia, resistencia a la erosión / desgaste y / o resistencia a la corrosión. Se plantea la hipótesis de que el enfoque de diseño óptimo es esencial para desentrañar todo el potencial de las tecnologías de AM de metales y, por lo tanto, su adopción generalizada para la producción de componentes de carga estructuralmente críticos. [25]
Referencias
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